一种掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料、制备方法及其用途技术

本发明专利技术涉及一种掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料、制备方法及其用途，其中，掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料包括如下成分：(8YSZ)1‑x(FeO1.5)x，且x为0.08～0.14。本发明专利技术中的掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆材料同时具备氧离子传导性和电子导电性，且价格低、力学性能和稳定性能优异。本发明专利技术中掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆材料的制备方法工艺简单，制得的掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆材料气孔极少，致密性、力学性能均得到了大大的提高。本发明专利技术中的掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆材料能够用于氧传感器中的致密扩散障碍层、固体氧化物燃料电池的阴极或者氧气分离膜。

Yttria stabilized zirconia material doped with metal, preparation method and use thereof

The invention relates to a yttria stabilized zirconia material doped with metal, a preparation method and a use thereof. The yttria stabilized zirconia material doped with metal comprises the following components: (8YSZ) 1_x (FeO1.5) x, and X is 0.08-0.14. The yttria stabilized zirconia material doped with iron possesses both oxygen ion conductivity and electronic conductivity, and has low price, excellent mechanical properties and stability. The preparation method of the iron doped yttria stabilized zirconia material is simple, and the prepared iron doped yttria stabilized zirconia material has very few pores, and the compactness and mechanical properties are greatly improved. The yttria stabilized zirconia material doped with iron can be used as a dense diffusion barrier layer in an oxygen sensor, a cathode of a solid oxide fuel cell, or an oxygen separation membrane.

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料、制备方法及其用途
本专利技术属于氧化钇稳定氧化锆材料
，具体涉及一种掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料、制备方法及其用途。
技术介绍
在冶金、能源、汽车等工业中，利用电化学氧传感器在线、实时监测氧浓度是一种有效的方法，越来越受到人们的关注，电化学氧传感器分为原电池型和限流型两种。由于原电池型氧传感器的电位是浓度比的对数的函数，所以原电池型氧传感器在高氧分压下较不敏感。极限电流型氧传感器的极限电流是浓度的函数，所以测量范围更宽，精度更高。目前极限电流型氧传感器分为小孔型、多孔型和致密扩散障碍层型三种类型，其中，小孔型和多孔型存在造价昂贵、经常出现孔隙变形和固体颗粒堵塞等缺陷。相比较，致密扩散障碍层型由于采用了氧离子-电子混合导体作为致密扩散障碍层，能够克服孔隙堵塞的问题，工作性能更加稳定、响应时间更灵敏、寿命更长。因此，致密扩散障碍层极限电流型氧传感器越来越受到关注。对于致密扩散障碍层的材料要求是必须同时具备一定的氧离子传导性和较高的电子导电性。现有的用于致密扩散层的材料一般为LSM粉末、LSC粉末或者LSF粉末等，但是这些材料价格昂贵、成本高，同时力学性能和稳定性也较差。因此，亟需研发一种同时具备氧离子传导性和电子导电性，且价格低、力学性能和稳定性能优异的新型材料。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种同时具备氧离子传导性和电子导电性，且价格低、力学性能和稳定性能优异的掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆材料、制备方法及其用途。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：本专利技术提供一种掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料，包括如下成分：(8YSZ)1-x(FeO1.5)x，其中，x为0.08～0.14。本专利技术另一方面提供上述掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料的制备方法，包括如下步骤：S1、按摩尔比，Y(NO3)3·6H2O:ZrOCl2·8H2O＝0.08:0.92，Y(NO3)3·6H2O和ZrOCl2·8H2O的总摩尔数：FeCl3·6H2O＝(0.86～0.92):(0.08～0.14)进行配料；S2、将Y(NO3)3·6H2O、ZrOCl2·8H2O和FeCl3·6H2O溶于蒸馏水或者去离子水，并混合均匀，得到混合溶液；S3、向步骤S3得到的混合溶液中加入氨水或者氢氧化铵溶液，使混合溶液的pH值大于7，得到前驱体反应液；S4、对前驱体反应液先利用蒸馏水或去离子水进行清洗，再利用乙醇溶液进行清洗；S5、对清洗后的前驱体反应液进行干燥，得到前驱体沉淀物；S6、对前驱体沉淀物进行煅烧，得到掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆前驱体。根据本专利技术，在步骤S6之后还包括如下步骤：S7、对掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆前驱体进行烧结，得到掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆材料。根据本专利技术，在步骤S2中，混合溶液的摩尔浓度为0.4～0.9mol/L；在步骤S3中，混合溶液的pH调节至7～9。根据本专利技术，在步骤S4中，对前驱体沉淀物先利用蒸馏水或者去离子水清洗两遍，再利用乙醇溶液清洗两遍；在步骤S5中，干燥温度为60～90℃。根据本专利技术，在步骤S6中，煅烧的温度为600～1000℃，煅烧的时间为1.5～3h。根据本专利技术，在步骤S7中，烧结的温度为1300～1600℃，烧结的时间为8～12h。根据本专利技术，在步骤S6中，先对干燥后的前驱体沉淀物进行研磨，再进行煅烧；在步骤S7中，先对掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆前驱体进行研磨，然后压制成型后再进行烧结。本专利技术再一方面提供一种上述掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料的用途，用于致密扩散障碍层极限电流型氧传感器中的致密扩散障碍层。本专利技术再一方面提供一种上述掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料的用途，用于固体氧化物燃料电池的阴极或者氧气分离膜。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：本专利技术通过在氧化钇稳定氧化锆材料中掺杂氧化铁制得掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆材料(即(8YSZ)1-x(FeO1.5)x)，由于Fe为变价金属，在氧化和还原的气氛中，二价铁和三价铁之间就会来回的生成和转化，在此过程中就会存在电子的转移，进而使最终得到材料具备电子电导性。因此，本专利技术首次制得了同时具备氧离子传导性和电子导电性的氧化钇稳定氧化锆材料，即掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆材料，而且其物理性能和化学性能都很稳定，成本低，因此大大增加了该材料的用途，能够应用于更多的领域中。同时在严格控制各原料的摩尔比时，能够保证得到的材料为单纯的(8YSZ)1-x(FeO1.5)x，晶格更加稳定，进而提升性能。同时本专利技术中采用共沉淀法合成上述材料，工艺简单，且能够降低进行煅烧时所需的温度以及煅烧时间，更加节约能源。同时能够使原料完全沉淀，反应时的接触面积更大，反应更加充分。此外，采用共沉淀法合成后，能够使通过煅烧形成的粉末为纳米级粉末，进而提升其性能。最终制得的材料同样具备上述性能，且气孔极少，致密性、力学性能均得到了大大的提高。由于制得的掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆材料为混合离子电子导电氧化物，因此能够用于致密扩散障碍层极限电流型氧传感器中的致密扩散层、固体氧化物燃料电池的阴极或者氧气分离膜，且作为致密扩散层气孔少，致密度高，大大提高了制成的氧传感器的性能，且该材料成本低，在高温下稳定性好，能够降低氧传感器的制作成本，且使用时间更长。附图说明图1为如下实施例1中得到的掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆前驱体的X射线衍射图谱；图2为如下实施例1中得到的掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆材料的SEM图；图3为如下实施例1中对得到的掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆材料进行电导率的测试时的电子电导率与温度的关系图；图4为如下实施例1中对得到的掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆材料进行电导率的测试时的总电导率与温度的关系图；图5为如下实施例1中制得的致密扩散障碍层极限电流型氧传感器的测氧I-V曲线。具体实施方式为了更好的解释本专利技术，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本专利技术作详细描述。实施例1本实施例提供一种掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料的制备方法，具体包括如下步骤：S1、按摩尔比，Y(NO3)3·6H2O：ZrOCl2·8H2O＝0.08：0.92，Y(NO3)3·6H2O和ZrOCl2·8H2O的总摩尔数：FeCl3·6H2O＝0.86:0.14进行配料。其中，所用原料均为固体，Y(NO3)3·6H2O的分析纯的纯度为99.99％，ZrOCl2·8H2O的分析纯的纯度为99.9％，FeCl3·6H2O的分析纯的纯度为99％。S2、将Y(NO3)3·6H2O、ZrOCl2·8H2O和FeCl3·6H2O溶于蒸馏水，并通过搅拌或者振荡使其充分溶解并混合均匀，得到混合溶液，混合溶液的摩尔浓度为0.5mol/L。具体地，可以将Y(NO3)3·6H2O、ZrOCl2·8H2O和FeCl3·6H2O这三种固体分别溶于蒸馏水后再进行混合，也可以将这三种固体混合后一起溶于蒸馏水，最终形成的混合溶液为Y(NO3)3水溶液、ZrOCl2水溶液和FeCl3水溶液的混合物，相互之间并未发生化学反应。其中，对上述三种固体进行溶解时应选用蒸馏水(或者去离子水)，并不能选用自来水，进而避免在溶解过程中引入其他杂质离子影响最终制备的材料性能。S3、向步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料，其特征在于，包括如下成分：(8YSZ)1‑x(FeO1.5)x，其中，x为0.08～0.14。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料，其特征在于，包括如下成分：(8YSZ)1-x(FeO1.5)x，其中，x为0.08～0.14。2.一种如权利要求1所述的掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、按摩尔比，Y(NO3)3·6H2O:ZrOCl2·8H2O＝0.08:0.92，Y(NO3)3·6H2O和ZrOCl2·8H2O的总摩尔数:FeCl3·6H2O＝(0.86～0.92):(0.08～0.14)进行配料；S2、将Y(NO3)3·6H2O、ZrOCl2·8H2O和FeCl3·6H2O溶于蒸馏水或者去离子水，并混合均匀，得到混合溶液；S3、向步骤S3得到的混合溶液中加入氨水或者氢氧化铵溶液，使所述混合溶液的pH值大于7，得到前驱体反应液；S4、对所述前驱体反应液先利用蒸馏水或去离子水进行清洗，再利用乙醇溶液进行清洗；S5、对所述清洗后的前驱体反应液进行干燥，得到前驱体沉淀物；S6、对所述前驱体沉淀物进行煅烧，得到掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆前驱体。3.如权利要求2所述的掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料的制备方法，其特征在于，在步骤S6之后还包括如下步骤：S7、对所述掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆前驱体进行烧结，得到掺杂铁的氧化钇稳定氧化锆材料。4.如权利要求2或3所述的掺杂金属的氧化钇稳定氧化锆材料的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，王相南，于景坤，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21