界面调控低维氧离子固态电解质结构与性能研究

发布时间：2017-12-16 01:27

  本文关键词：界面调控低维氧离子固态电解质结构与性能研究

  更多相关文章： 萤石结构电解质 界面调控结构 界面传导 氧离子电导率 氧传感器

【摘要】：具有萤石结构的氧离子固态电解质因其优异的电学、力学性能已被广泛应用于全固态燃料电池、电解池、气体分离和气体传感等能源与环境领域器件中。目前主要挑战为拓展器件在中低温区间(400~600 oC)应用及开发新型微型器件,这使得研究在较低温度下具有高氧离子电导率的低维电解质材料有重要意义。本论文通过设计低维电解质材料中的“面”(晶界、表面和相界面)调控其微观结构,优化电学、力学性能,开发其在中温微型氧传感器中的应用,主要包括以下内容:采用静电纺丝方法制备并调控10 mol.%氧化钪稳定氧化锆(10Sc SZ)纳米纤维电解质的晶粒尺寸(晶界体积分数)。结果表明,提高晶界体积分数可抑制立方相(高电导)-菱方相(低电导)相变,并且晶界为氧离子传导提供快速通道,10Sc SZ纤维的电导率比10Sc SZ块体提高900倍。采用同轴静电纺丝方法对10Sc SZ纳米纤维表面包覆非晶氧化铝改性。结果表明,表面包覆后纤维高温晶粒生长被抑制,生长激活能提高一倍。高温下10Sc SZ纤维表面具有低指数取向(低能量)的晶粒沿轴向优先长大,推动纤维内部晶粒长大,表面包覆层可抑制纤维表面晶粒生长。采用射频磁控溅射方法制备10Sc SZ/非晶氧化铝异质薄膜结构,利用异质界面调控10Sc SZ薄膜晶粒择优取向和氧离子电导率。结果表明,非晶氧化铝过渡层使得10Sc SZ薄膜由(111)择优取向转变为(110)择优取向,10Sc SZ薄膜的(110)取向比(111)取向更有利于氧离子快速传导。采用射频磁控溅射方法制备Ce0.8Sm0.2O_2-δ(SDC)与非晶氧化铝(AO)多层薄膜电解质,研究异相界面对晶体取向、晶界分布及缺陷结构进而电学性能的调控作用。结果表明,无择优取向SDC/AO异相界面区结构高度无序、缺陷富集,电导率提高1~2个数量级,总电导随层数增加而增加;强择优取向SDC/AO异相界面区域取向无规则性增加,晶界阻碍作用增强,总电导随层数增加而减小。采用磁控溅射制备无择优取向Ce0.8Sm0.1Nd0.1O_2-δ/Al2O3(SNDC/AO)多层膜电解质,其400 oC电导率相对于YSZ块体提高2个数量级。结合微加工工艺,分别基于这两种材料制成微型氧传感器。结果表明,SNDC/AO氧传感器比YSZ氧传感器工作温度低200oC。SNDC/AO氧传感器灵敏度高(1 vol.%O_2)、响应时间短(~1 s)和循环稳定性好(1000次循环)。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34;TP212

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本文编号：1294203