本发明专利技术公开了一种超晶格电解质的制备工艺，采用脉冲激光沉积法，这种方法易制多层膜，只需通过简单的换靶就可以，反应迅速，生长快。而且靶材容易制备，不需加热，易于在较低温度下原位生长取向一致的结构和外延单晶膜。本制备工艺可有效降低固体氧化物燃料电池的操作温度，在单侧抛光的MgO基底上制备(SDC/YSZ)N超晶格薄膜，(SDC/YSZ)N这种超晶格薄膜在300-500℃之间，其电导活化能最小值为0.76eV，在300℃时测得的电导率比体材料的电导率提高了三个数量级，有效降低了电池的工作温度，有利于延长电池的使用寿命。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种低温超晶格（SDC/YSZ)N电解质的制备工艺，特别是指一种固体氧 化物燃料电池电解质的制备工艺。
技术介绍
电解质的导电性决定了燃料电池的工作温度，要使燃料电池有广泛的应用前景， 就需要减小SOFC的工作温度，因此需要开发低温下离子电导率较高的新型电解质材料。传 统的钇稳定氧化锆（YSZ)，化学性质稳定，是比较常见的一种氧离子导体。通过Y的掺杂，四 价的Zr4+被三价的Y3+取代，从而产生较多的氧空位，使YSZ在较大的氧分压范围内，具有较 高的离子电导率和可以忽略的电子电导，被广泛应用于SOFC。但是YSZ作为电解质时，燃 料电池的工作温度需达到l〇〇〇°C左右，才能有较好的性能。高温下电池的使用寿命大大缩 短，增加了生产成本，从而限制了燃料电池的推广。 具有萤石结构的掺杂三价或四价阳离子的CeO2，是较为理想的IT-SOFC电解质材 料。Yahiro等和Steele通过研究碱土金属氧化物和稀土氧化物的掺杂对CeO2电导率的影 响，也发现在一系列的掺杂中，掺杂Gd2O3或Sm203的CeO2具有最高电导率，在800°C以下，其 电导率比YSZ电导率，高几倍到一个数量级。但是CeO2基电解质材料在还原气氛中，或较 低氧分压条件下，铈离子容易由四价（Ce4+)变为三价（Ce3+)使其电子电导增大，导致电池内 部短路，电池性能急剧衰减，电池的开路电压降低，电池的功率输出减小，使电池机械性能 下降。A.Tsoga等发现界面处两相晶格失配引起位错应变，使氧空位浓度增加，为氧离子 传输形成了更多的自由通道，使LaA103/SrTi03#层膜结构的电导率明显增加。许多研究均 报道了，由于界面效应会使由氧化物薄膜构成的异质结多层薄膜，产生一些特殊性能。多层 异质结结构的薄膜已经被发现拥有超结构和功能特性，尤其是其离子电导率会相应增加。 目前，Sata等人发现由CaF2/BaF2构成的两相多层薄膜结构，当保持多层薄膜的总厚度在 20-100nm之间不变，异质结的界面数逐渐增加，每层膜的厚度逐渐减小时，氟离子的电导率 相对于CaFjPBaF2的体材料会明显提高，其电导率的增加归因于空间电荷效应。Otsuka 等人研究发现当增加错配密度时YSZ的离子电导率可以进一步被提高。Korteetal.设计 YSZ/Y203两种多层膜结构在蓝宝石（0001)基底上，不同的材料选择是为了分别增加、减小 YSZ层的应力，结果发现应力减小时薄膜的电导率减小。相反，增加界面处应力时，薄膜电 导率也相应的增大。这些研究都证明了薄膜内部的和界面处的缺陷对于离子电导率的提高 都有一定的促进作用。A.PrterS等发现，通过减小Zr02/Ca0多层膜的厚度可使其电导率增 加。这些研究表明内部的和界面之间的错配在提高离子电导率方面有重要的作用。国内外 许多机构已经提出，在界面、电子相关性基础上建立新形式的耦合（电子基态相邻材料之 间的耦合），由于在氧化物界面电子可以有多种状态，各单层组份失去原有性能，可能会产 生新的特性。这些复杂结构的钙钛矿氧化物有着相似的晶格参数，因此外延生长的界面结 构比较完美。Ohtomo等提出的LaAKVSrTiO3 (LA0/ST0)异质结构，是金属状态在两个绝缘 体之间的界面构成的异质结结构。在异质结结构界面结合材料和不同程度的晶格失配可以 促进离子扩散系数。因此，这些异质结结构可能在优化材料电化学设备的低功率能量生成 和存储方面发挥重要作用。特别是，在氧化物界面增强氧离子导电性，可以使SOFC的操作 温度降低。新型的电解质需要有较高的离子电导率，同时电极材料要有较高的氧离子迀移 率。由于离子运输在纳米材料中可以得到优化，因此纳米技术将对下一代燃料电池有很大 影响。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种超晶格电解质的制备工艺，这种制备工艺可 以降低固体氧化物燃料电池的工作温度且制备出具有较高离子电导率的新型电解质材料， 找到的这种新的电解质材料就是：SDC(二氧化钐掺杂氧化铈）/YSZ(钇稳定氧化锆）超晶 格电解质薄膜，离子电导率的提高可能是由于，晶格错配使界面发生应变，晶格共格生长， 使氧空位浓度增加，促进离子在异质结结构中的扩散，由于不同的晶格参数和两个相邻相 的对称性，不同层之间的界面容易发生错位应变。这应变可以通过失配位错得到缓解。YSZ 与SDC有着兼容的晶体特性和氧离子电导率，同时YSZ与SDC有较大的匹配缺陷。因此本 专利技术中（SDC/YSZ)N超晶格电解质薄膜电导率（氧离子迀移率）的提高可以被认为是，由于 界面应变效应和晶格失配导致的扩展缺陷造成的。因此（SDC/YSZ)N超晶格电解质薄膜结 构，可以应用到IT-S0FC，优化能量产生和存储。 本专利技术要解决的技术问题由如下方案来实现：一种超晶格电解质的制备工 艺，采用脉冲激光溅射仪，其腔室内装有四个独立靶位，激光器为脉冲准分子激光器， 溅射靶材使用的是纯度为99 % -99. 9999 %的YSZ，即0. 08Y203:0. 92Zr0 2，其尺寸为 伞 30. 8X4.Omm-巾 60. 8X6.Omm和纯度为 99 % -99. 9999 % 的SDC，即CeasSm。. 202 5，其 尺寸为(630. 8X4. 0臟-巾60. 8X6. 0mm，基底为MgO,单侧抛光，（110)晶向，其尺寸为 5X5X0. 3mm-15X15X0. 8mm，将所述YSZ靶材、SDC靶材和单侧抛光的MgO基底固定在相 应样品架上，基底和YSZ靶材、SDC靶材的距离为3cm-8cm，激光器工作模式为恒压27KV，激 光能量在650-690mJ，频率为5Hz，溅射前需除去靶材表面氧化层和其它杂质，然后打开挡 板开始溅射，通过调节激光的能量以及脉冲次数来控制薄膜的厚度，调整高纯Ar和O2气体 流量比来达到所需溅射氧气含量，氧分压为3-5Pa，在MgO基底上交替溅射YSZ靶材和SDC 靶材，然后将样品在500-1500°C下热处理l_3h，形成（SDC/YSZ)N超晶格电解质薄膜，N是超 晶格的周期数，N= 1-50。 本专利技术的优点：本专利技术制备了由氧化钐掺杂二氧化铈（SDC)和钇稳定氧化锆 (YSZ)两种氧化物，交替形成的新的多层膜超晶格结构。由于多层膜在界面处的应变效应， 能够提高氧离子迀移率，从而提高离子导电率，使其能够应用于IT-S0FC。【附图说明】 图1为超晶格电解质在不同温度下的电导率Arrhenius图。 图2为超晶格电解质的表面SEM图。 图3为超晶格电解质的截面HAADF图。【具体实施方式】 1、实验原料 8%molY2O3 =ZrO2靶材，纯度99. 999%，尺寸(650. 8X5. 0mm，合肥科晶材料技术 有限公司；CeasSmQ.202 5靶材（SDC)，纯度99. 999%，尺寸(650. 8X5. 0mm，合肥科晶材料技 术有限公司；MgO基底，单侧抛光，（110)晶向，尺寸10X10X0. 5mm，合肥科晶材料技术有限 公司。 2、实验仪器 表1主要实验仪器及设备 3、（SDC/YSZ)N超晶格电解质薄膜制备过程，采用中科院沈阳科学仪器厂生产的 PLD-450型脉冲激光溅射仪，腔室内装有本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超晶格电解质的制备工艺，其特征是：采用脉冲激光溅射仪，其腔室内装有四个独立靶位，激光器为脉冲准分子激光器，溅射靶材使用的是纯度为99％‑99.9999％的YSZ，即0.08Y2O3：0.92ZrO2，其尺寸为φ30.8×4.0mm‑φ60.8×6.0mm和纯度为99％‑99.9999％的SDC，即Ce0.8Sm0.2O2‑δ，其尺寸为φ30.8×4.0mm‑φ60.8×6.0mm，基底为MgO，单侧抛光，(110)晶向，其尺寸为5×5×0.3mm‑15×15×0.8mm，将所述YSZ靶材、SDC靶材和单侧抛光的MgO基底固定在相应样品架上，基底和YSZ靶材、SDC靶材的距离为3cm‑8cm，激光器工作模式为恒压27KV，激光能量在650‑690mJ，频率为5Hz，溅射前需除去靶材表面氧化层和其它杂质，然后打开挡板开始溅射，通过调节激光的能量以及脉冲次数来控制薄膜的厚度，调整高纯Ar和O2气体流量比来达到所需溅射氧气含量，氧分压为3‑5Pa，在MgO基底上交替溅射YSZ靶材和SDC靶材，然后将样品在500‑1500℃下热处理1‑3h，形成(SDC/YSZ)N超晶格电解质薄膜，N是超晶格的周期数，N＝1‑50。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：丁铁柱，范悦，许彦彬，刘华艳，
申请(专利权)人：内蒙古大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15
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