[发明专利]一种钕、锌共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钕、锌共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质及其制备方法。该固体电解质化学式为La_9.33Nd_xSi_6‑yZn_yO_26‑y+3x/2，其中x的取值范围为0.6‑0.8，y的取值范围是0.9‑1.1。其制备为：1)用硝酸将La₂O₃和钕源混合物溶解于无水乙醇中形成溶胶；2)继续加入锌源和正硅酸四乙酯并调节溶胶pH至4‑5，加入尿素得到前驱体溶胶；3)陈化后得到前驱体凝胶，干燥、燃烧、研磨、压制成型、烧结后即得钕、锌共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质。通过钕、锌共掺杂，提高了磷灰石型硅酸镧固体电解质的电导率，并降低了烧结温度，操作简单、原料低廉，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种钕、锌共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种通过燃料气体与氧化气体在高温下的反应来发电的装置，它将直接将反应的化学能直接转化为电能，避免了传统发电需要经过多次能量转化才能成为电能，这会造成大量能量的损失，SOFC作为一种新能能源，它发电方式简单，所用材料环保无污染，是一种绿色能源材料。固体电解质是离子导电的重要媒介，它在SOFC中占据着十分重要的地位，在整个燃料电池的工作过程中起着隔离反应气体和输送氧离子的重要作用。氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)是传统的固体电解质的一种，但它存在着许多缺点如存在工作温度过高、制备工艺复杂、相间扩散、成本过高等，很大程度上限制了其在各领域的应用。因此需要寻找一种新的固体电解质材料替代传统的YSZ固体电解质材料。

目前中低温下具有高离子电导率的固体电解质材料有萤石型CeO₂基、Bi₂O₃基和钙钛矿类电解质，这类化合物的离子电导与其非化学计量导致的氧空位有关，但是，CeO₂基和掺杂Bi₂O₃基电解质材料工作温度范围窄,在低氧分压和还原气氛下容易产生引起短路通道的电子电导；钙钛矿类电解质材料主要存在烧结性能差，电解质与电极材料的相容性差等问题。

磷灰石型硅酸镧电解质La_9.33+x(SiO₄)₆O_2+3x/2因在中低温下具有低活化能和高氧离子电导率，被认为是最具有潜力的固体电解质材料。为了改善磷灰石型硅酸镧电解质的性能，通常通过离子掺杂对其进行改性。但是目前离子掺杂多是单离子掺杂，对其性能提升有限。它的制备方法主要有高温固相燃烧法、溶胶-凝胶法等，但这些制备方法均存在一些缺点如合成温度高、易出现杂质相等。

因此，亟需寻找一种方法可以简单有效地实现对硅酸镧固体电解质的双离子掺杂，进一步改善其性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钕、锌共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质及其制备方法，通过钕和锌的共掺杂，有效增加了硅酸镧晶体中的间隙氧浓度，提高了磷灰石型硅酸镧固体电解质的电导率，并降低了烧结温度，在新型固体电池、化学传感器、固体氧化物燃料电池等领域具有广阔的应用前景。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

提供一种钕、锌共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质，其化学式为La_9.33Nd_xSi_6-yZn_yO_26-y+3x/2，其中x的取值范围为0.6-0.8，y的取值范围是0.9-1.1。

提供上述钕、锌共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质的制备方法，具体步骤如下：

1)用硝酸将La₂O₃和钕源混合物溶解于无水乙醇中形成溶胶；