[发明专利]钡钡钽氧化物固体电解质及其制备方法

说明书

一种钡钡钽氧化物固体电解质及其制备方法，电解质分子式为Ba_1.5Ba_0.5+xTa_1‑xO_4.5‑δ；制备方法为：(1)碳酸钡粉体和氧化钽粉体按摩尔比Ba:Ta＝(2+x):(1‑x)混合；(2)以水或无水乙醇为球磨介质，将混合粉体球磨后烘干；(3)压制成型，然后在900～1300℃焙烧1～10h，随炉冷却；(4)将焙烧物料研磨后二次压制成型，1000～1500℃煅烧1～10h，随炉冷却。本发明通过改变B′位Ba元素与B″位Ta元素的化学计量比产生氧空位晶格缺陷，使形成的电解质材料在高温条件下具有良好的电导率，同时具有较高质子迁移数；该材料应用于传感器设备中，有助于提高氢传感器中测氢的准确性。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种钡钡钽氧化物固体电解质及其制备方法。

技术背景

固体电解质是一类固态时即呈现离子导电性的材料，可以按载流子的不同进行分类，如Na⁺，O^2-，S^2-，H⁺等；其中以H⁺为载流子导电的固体电解质材料是一种能够传导质子的功能性材料；固体电解质晶格中的氧空位与气氛中的氢或水结合而产生质子；根据固体电解质在不同温度下的质子传导性，可使固体电解质应用于燃料电池、化学传感器、铝液脱氢、合成氨等不同领域。

钙钛矿型固体电解质中，具有主要分为简单钙钛矿型结构和复杂钙钛矿型结构。简单钙钛矿型结构通式为AB_1-xM_xO_3-δ，通过向B位掺杂低价元素M产生氧空位。复杂钙钛矿型结构通式为A₃(B′_1+xB″_2-x)O_9-δ，这种结构是通过改变B′与B″的化学计量比产生氧空位晶格缺陷。

应用于氢传感器的固体电解质材料中，含有质子、氧离子及电子三种载流子。各载流子电导率与总电导率的比值为各载流子的迁移数；对于氢传感器，质子迁移数决定了传感器的准确性，是传感器性能的核心指标；浓差电池法测氢的总反应为：

和

根据Nernst方程可得到反应电动势：

式中t_H、t_O和t_e分别为质子、氧离子及电子的迁移数；当一侧氢分压确定时，可通过电动势计算出待测极的氢分压；因此质子迁移数越高，传感器测得的电动势越准确。

在ABO₃简单钙钛矿结构中，掺杂的CaZrO₃具有最高的质子迁移数材料，在800℃下含氧气氛中可达到0.5，但该材料在用于铝液测氢实验中时，传感器示数产生了较大的误差；1993年A.S.Nowic^[4]发现了A₃(B′_1+xB″_2-x)O_9-δ复杂钙钛矿结构，其中Ba₃Ca_1.18Nb_1.82O_9-δ(BCN18)材料的电导率最高，引起了广泛的关注与研究，但其在700℃下的质子迁移数仅能达到0.16；在复杂钙钛矿结构中，Ba_4–xLa_xCa₂Nb₂O_11+0.5x的质子迁移数最高，在700℃下可达到0.35，但该材料的质子迁移数仍较低，测氢时会产生大量误差，难以满足传感器工作的需求。

发明内容