[发明专利]一种应用电导弛豫测量材料质子表面交换速率的方法

说明书

本发明公开了一种应用电导弛豫测量材料质子表面交换速率的方法，直接测试BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1O_3‑δ等质子和电子的混合导体在不同水蒸气含量气氛下的电导率，通过在某一固定温度下改变空气中含水量，并同时记录相应的电导率随时间的变化过程，进而计算出相应的质子表面交换速率。该测试方法具有样品制备方便、可操作性强、步骤简单、结果稳定外部因素影响较小、且能够直接通过计算从而得到质子交换速率等特点。

技术领域

本发明涉及质子陶瓷燃料电池领域，具体涉及一种应用电导弛豫测量材料质子表面交换速率的方法。

背景技术

在固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极中，混合离子/电子导体电极因其能够增加空气/电极/电解质三相界面且能够增强阴极反应速率受到广泛关注。中温范围(400–700℃)质子导电燃料电池拥有以下优点：(1)质子传导电解质拥有更高的电导率相比于氧离子导体SOFC；(2)水产生于阴极避免稀释燃料。阴极的催化活性随着温度降低而降低，这通常是限制速率的一个重要因素，所以阴极材料须拥有高空穴浓度和高电导率。但是迄今为止，定量氧空位/质子/空穴混合导电氧化物的质子电导率并非易事。

阴极材料内质子的形成浓度和速率是影响阴极材料性能的关键指标，能够准确的测量阴极材料内质子表面交换速率对于评估阴极材料在电池上应用潜力和对其进行进一步改进具有重要的参考意义。但是测量材料内的质子浓度和质子形成速率是一件非常困难的事情，即使用二次离子质谱的方式，也无法准确探测质子缺陷在材料内部的准确浓度。同时，质子在阴极材料内部的生成必须依赖于外界环境中水的存在，这也极大的限制了各种测量手段的应用。

Daniel Poetzsch和R.Zohourian等之前主要采用热重弛豫法，通过测量样品质量在外界气氛中水蒸气含量改变后的变化过程来确定质子缺陷浓度，通过反应吸收质子测定质子浓度，从质子扩散率出发给出质子电导率范围。但是通过热重弛豫法对试样量、气氛流速、装填方式等等都有一定的影响，且需要分析很多化学缺陷反应，利用各种假设排除一定的误差。所以急需发展一种能够简单高效测量阴极质子交换速率的方法，要简单易行，外部因素影响少，能够更加准确的表征质子交换速率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用电导弛豫测量材料质子表面交换速率的方法，其可以自动实现油、渣、水的彻底分离，大大减轻了工人的劳动强度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种应用电导弛豫测量材料质子表面交换速率的方法，包括以下步骤：

(1)采用直流四端子法测试样品在550-700℃范围内的电导率；

(2)通过加热器调节进入样品内气体中水蒸气的含量，在5％-10％水分压湿润大气下电导率逐渐降低稳定后转变为干燥气氛，电导率会逐渐升高并达到平衡状态；

(3)将样品置于550-700℃下，待样品电导率稳定后，瞬间改变通入样品内气体中水蒸气含量，同时连续记录样品电导率σ随时间的变化过程，待该电导率逐渐达到稳定后，测量过程结束；

(4)改变样品测试温度，在550-700℃范围内的不同温度下，测量样品电导率在气体中水蒸气含量改变后的变化过程；

(5)将电导率变化曲线归一化处理后，通过公式NC(t)＝1-exp^At拟合得到指数A，则样品的表面交换速率K^δ＝1/2AD，其中D为样品的厚度。

优选地，所述步骤(1)中，样品包括BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1O_3-δ。