低热膨胀性Ta*O*基氧离子导体固体电解质及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种低热膨胀性Ｔａ↓［２］Ｏ↓［５］基氧离子导体固体电解质及其制造方法。其特征是电解质是：Ｔａ↓［２］Ｏ↓［５］　８４～９８ｍｏｌ％分别和ＴｉＯ↓［２］　２～１６ｍｏｌ％、Ｆｅ↓［２］Ｏ↓［３］　４～１６ｍｏｌ％、ＴｅＯ↓［２］　６～９ｍｏｌ％、ＺｒＯ↓［２］　７～１１ｍｏｌ％组成固溶体；制备时通过反向滴定化学共沉淀法制备了纳米Ｔａ↓［２］Ｏ↓［５］和Ｒ↓［ｘ］Ｏ↓［ｙ］混合粉体原料，其中Ｒ↓［ｘ］Ｏ↓［ｙ］是指ＴｉＯ↓［２］、Ｆｅ↓［２］Ｏ↓［３］、ＴｅＯ↓［２］或ＺｒＯ↓［２］。本发明专利技术的效果和益处是电解质在３００～８００℃的电导率为１．４５×１０↑［－７］～３．２８×１０↑［－１］Ｓ.ｃｍ↑［－１］，室温到８２０℃的热膨胀系数为２．２８～３．８９×１０↑［－６］／Ｋ，适于中高温气体传感器和固体氧化物燃料电池材料的要求。

Low thermal expansion Ta*O* based oxygen ion conductor solid electrolyte and method for manufacturing the same

The invention discloses a low thermal expansion of Ta: 2 O: 5 based oxygen ion conductive solid electrolyte and its manufacturing method. Its characteristic is: Ta electrolyte is down 2 O: 5 ~ 84 98mol% and 2 TiO respectively: 2 ~ 16mol%, Fe: 2 O: 3 ~ 4 16mol%, TeO: 2, ZrO: 6 ~ 9mol% 2 ~ 11mol% 7 solid solution composition body; prepared by reverse titration chemical method to prepare nano Ta: 2 O: 5 and R: X O: y mixed powder material co precipitation, the R x O:: y refers to TiO: 2, Fe: 2 O: 3, TeO: 2 and ZrO: 2. The advantage of the invention is 300 to 800 DEG C in the electrolyte conductivity of 1.45 x 10 = x 10 ~ 3.28, 7: 1, S.cm = = \1, room temperature to 820 DEG C, the thermal expansion coefficient is 2.28 ~ 3.89 * 10 =\ 6: / K, suitable for high temperature gas sensors and solid oxide fuel cell materials.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于特种功能陶瓷制造工艺
，涉及一种低热膨胀性Ta205 基氧离子导体固体电解质及其制造方法。
技术介绍
氧离子导体固体电解质是固体氧化物燃料电池(SOFC)的核心材料，并在 氧传感器、固态离子器件等方面有广泛的应用。它的性能，包括电导率、热膨 胀系数、化学稳定性等，不但直接影响SOFC燃料电池的工作温度及转换效率， 还限定了与之相匹配的电极和连接材料的选择范围。在固体氧化物燃料电池中， 固体电解质两侧的氧分压相差几个数量级，因此固体氧化物电解质必须在广泛 的氧分压范围内稳定工作。在文献Minh N Q, Takahashi T. Science and technology of ceramic fuel cells. Elsevier Science B. V., ISBN: 0-444-895668-X, U. S. A. 1995, 11中已报道，目甜研 究最深入、使用最广泛的固体氧化物电解质材料是具有立方萤石结构的稀土氧 化物掺杂的稳定Zr02。其中Y203掺杂的Zr02 (YSZ)的电导率较高，在800 100(TC时为0.02 0.1 S/cm。然而，要获得有商业意义的输出功率密度，以YSZ 为电解质的SOFC要在800 1000°C的高温下工作。此外Y203掺杂的Zr02陶瓷 的热膨胀系数为10.8X10—6cm/(Cm《)。过高的工作温度和较大热膨胀系数会引 起电极/电解质、电极/连接板、连接板/电解质间的相互作用和内应力，降低电池 的稳定性和使用寿命。为降低固体氧化物燃料电池的工作温度，已幵发出多种中低温固体氧化物 电解质材料，包括掺杂Ce02和掺杂Bi203基固体电解质，以及钙钛矿型复合氧化物固体电解质。在600 80(TC温度范围，上述氧化物固体电解质具有比YSZ 高近一个数量级的电导率。在文献Hideaki Inaba, Hiroaki Tagawa. Ceria-based solid electrolyte. Solid State Ionics, 1996, 83: 1 16中报道了掺杂Sm203的Ce02 基固体氧化物电解质的电导率在80(TC时为0.117 S/cm。但是在低氧分压下，掺 杂Ce02基固体电解质中Ce"会部分被还原为Ce3、而产生电子导电性，使电池 内部短路。另夕卜，文献Mogensen M, Sammes N M, Tompsett G A. Physical, chemical and electrochemical properties of pure and doped ceria, Solid State Ionics， 2000,129:63 94报道，Ce02烧结体在0 80(TC温度范围的热膨胀系数为8.6X 10—6crn/(cm*K)，同样存在与燃料电池其他材料间的相互作用和内应力问题，限 制了在SOFC中的应用。前文南犬Minh N Q， Takahashi T. Science and technology of ceramic fuel cells. Elsevier Science B. V" ISBN: 0-444-895668-X, U. S. A. 1995, 11，还报道了掺杂 BaO的Bi203基固体氧化物电解质有最高的电导率，(Bi203)。.84(BaO)Q.16，在600 。C电导率为0.88S/cm。缺点是熔点低，对氧分压敏感，在有碳和氢的气氛中易 发生还原反应。文献Hayashi H, Suzuki M, Inaba H. Thermal expansion of Sr- and Mg-doped LaGa03. Solid State Ionics, 2000, 128:131 139报道，l丐钛矿型复合氧化物固体电 解质是多种氧化物组成，典型的是SrO和MgO掺杂的LaGa03 (LSGM)，在800 'C时电导率达0.14S/cm。然而，LSGM与燃料电池其它材料间易发生化学反应， 界面处常形成低电导率新晶相，化学相容性存在严重问题。此外，有文献Slater P R, Irvine J T S， Ishihara T, Takita Y， The Structure of the oxide ion conductorLao.9Sr。.Gao.8Mg。.202.83 by powder neutron diffraction, Solid State Ionics, 1998， 107:319 323报道，钙钛矿型复合氧化物固体电解质在20 120(TC温度范围的 热膨胀系数为10 12.47X 10—6cm/(cm K)。同样面临在SOFC中电极/电解质、 电极/连接板、连接板/电解质间的相互作用和内应力等难以解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低热膨胀性Ta205基氧离子导体固体电解质及 其制备方法。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的本专利技术的氧离子导体固体电解质的组成是摩尔百分比为84 98%的Ta205 分别和摩尔百分比为丁;02 2~16%、 Fe203 4 16%、 Te02 6 9%、 Zr02 7 11%组成固溶体。其制备方法采用了化学液相法制备粉体和陶瓷材料的基本制备工艺，具体包括如下步骤a. 反向滴定化学共沉淀方法制备纳米Ta205和RxOv混合粉体原料首先配 置前驱体溶液，即用最少量的分析纯HF酸溶解一定比例的Ta和R金属粉，R 分别为Ti, Fe， Te和Zr金属。配制成总浓度为0.01mol/L的混合溶液。然后， 在室温下将混合溶液逐步滴定到含1~2% (质量百分数)的PEG10000分散剂的 氨水溶液中进行水解反应，最终pH》11。在滴定过程中，控制滴定速度，并机 械搅拌。生成的悬浊液用超声波分散，减少粉体的团聚。生成的沉淀物经过过 滤，去离子水清洗，无水乙醇脱水，在8(TC干燥，500 90(TC焙烧制得纳米Ta205 和R"/混合粉体。b. 成型工艺在上述混合粉体中加入1 3% (质量百分数)的聚乙烯醇有机 粘结剂，经》150MPa压力下干压成型，制得O20 30mm的圆片，脱模，8(TC干燥成坯体。粉料也可以用流延和挤压法制成薄片。C.反应烧结工艺坯体烧结温度为158(TC，烧结气氛为氧化性或中性气氛，保温时间为1 3小时。在无压反应烧结过程中，丁&205和RxOy发生固溶反应， 制备出纳米晶RxOy掺杂Ta205基同体电解质，RxOyR」'为Ti02、 Fe203 Te02和 Zr02。e. 采用复合交流阻抗谱法测量电导率，将制备的电解质圆片两侧涂一定面 积的银粉，在8(TC条件下干燥，作为电极，用阻抗测量系统对试样测试，升温 速度为l(TC/min，在每个测试温度保温30分钟，记录数据及数据分析。f. 将制备的电解质圆片切割成长方体，抛光机上磨制成3X3X15mm的试 样，试样经清洗、干燥后要无明显的裂纹和缺陷，采用热性能分析仪测定纳米 晶RxOy掺杂Ta205固体电解质材料在加热升温时的线膨胀，计算热膨胀系数； 升温速度为10°C/min;测试温度范围为20 82(TC。本专利技术的效果和益处是掺杂物采用反本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低热膨胀性Ｔａ↓［２］Ｏ↓［５］基氧离子导体固体电解质，其特征在于其组成是：摩尔百分比为８４～９８％的Ｔａ↓［２］Ｏ↓［５］分别和摩尔百分比为ＴｉＯ↓［２］２～１６％、Ｆｅ↓［２］Ｏ↓［３］４～１６％、ＴｅＯ↓［２］６～９％、ＺｒＯ↓［２］７～１１％组成固溶体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李金平，李景超，刘洪，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]