一种改性ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法技术

一种改性ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法，涉及固体电解质陶瓷材料制备技术领域。称取硝酸锆、硝酸铈、硝酸铜，加入蒸馏水中，然后加入柠檬酸，充分搅拌使其溶解；向混合液中加入乙二醇，超声使乙二醇分散均匀；调节溶液pH值后恒温水浴加热搅拌，直至形成溶胶，静置形成凝胶；将凝胶烘干后进行煅烧，煅烧结束后研磨至超细粉，得到电解质粉体材料；加入PVA进行造粒，压力下压制成片，程序升温炉进行烧结即得ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料。本发明专利技术采用超声波辅助溶胶凝胶法制备固体电解质，在氧化锆基中掺杂生产氧化铈和氧化铜，以期望提高氧化锆基的电导率。

【技术实现步骤摘要】
一种改性ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法
本专利技术涉及固体电解质陶瓷材料制备
，具体是涉及一种改性ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法。
技术介绍
固体燃料电池(SolidOxideFuelCell,SOFCs)的本质是一种将燃料中难以使用的化学能或使用效率非常低的化学能转化为人们能够方便使用的电能。固体燃料电池的内部是由很多的小电池通过连接而成的。每个小电池的主要结构为阴极、阳极、点击分离器和电解质，及连接体共同构造而成。在固体氧化物燃料电池中，最重要的就是电解质，大部分是由氧化物陶瓷制成，这些陶瓷一般电性能比较优秀。在SOFCs中，之所以电解质非常重要，是因为它是作为一种通道，连接电极，使电极之间能够传导电子，所以对于SOFCs的电解质陶瓷制作材料的要求非常严格。固体燃料电池的大致的工作过程，首先是燃料从阳极进入，在阳极发生反应，释放出能量，转化成电流，为外界的电子元器件提供电能，而在内部承担起电子交流的就是电解质。氧气由阴极进入，提供氧离子。在内部经过电解质交换电子，所以对于电解质的导电性能要求很高。单斜ZrO2不具备导电性能，而四方ZrO2电导率很低，所以一般使用掺杂的立方ZrO2作为电解质材料。大量研究表明：通过向ZrO2中掺杂某些二价或三价的碱土金属氧化物(如CaO、MgO、Y2O3、Sc2O3、Yb2O3、CeO2)等，形成立方相固溶体，使三价或二价稀土离子取代Zr4+，使其从室温到高温都为立方相，增加氧空位，改进其氧离子电导性能。综合来说，氧化锆基电解质有望成为最有商业价值的高温氧化物燃料电池。一般ZrO2基固体电解质材料在较高的温度下(通常1000℃左右)运行，在1000℃下，其电导率较高，但也带了一些问题，如材料的缓慢分解，相际扩散及金属连接材料的腐蚀等。此外在800℃左右，其O2-电导率与别类型的固体电解质材料对比仍较低。为了提高该材料的电导率，研究人员从未停歇过，他们在ZrO2的掺杂改性方面进行了大量研究，并取得了许多成果。研究结果表明，有些掺杂物的加入能够较大的提高氧化锆基的电导率。采用传统的高温固相法制备ZrO2-CeO2-CuO复合材料,通常需要在1500℃以上进行烧结,容易造成原料中CuO组分的挥发,导致ZrO2或其它杂相的析出,很难获得纯相,组分会变得不易控制。本专利技术采用的是超声波辅助溶胶凝胶法制备ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料，溶胶-凝胶法因操作简便，得到的粉体的粒径均匀且较小，性能好，实验过程易操作且重复性好而被广泛使用。
技术实现思路
针对现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供了一种改性ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法。获得的改性ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料具有优良的导电性能。为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种改性ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法，步骤如下：①、按照目标样品(ZrO2)0.89(CeO2)x(CuO)0.11-x的化学计量比，称取硝酸锆、硝酸铈、硝酸铜，加入30ml蒸馏水中，然后加入柠檬酸，充分搅拌使其溶解；②、向混合液中加入乙二醇，然后将溶液放在超声波清洗机里超声，使乙二醇分散均匀；③、将稀氨水作为pH调节剂滴定溶液，调节溶液pH值为7；④、在80℃恒温水浴加热搅拌，直至形成溶胶，静置一段时间后形成凝胶；⑤、将凝胶放入烘箱中烘24小时，取出后放入马弗炉中于700℃下煅烧10小时，煅烧结束后降至室温，取出坩埚，将粉末充分研磨至超细粉，得到(ZrO2)0.89(CeO2)x(CuO)0.11-x电解质粉体材料；⑥、将获得的超细粉加入PVA进行造粒，造粒期间必须保证充分研磨使得粉体与PVA混合均匀；将粉体在14Mpa压力下压制成片；将压制成型的片放入的程序升温炉进行烧结，在1350℃下保温200分钟，即得ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料(ZrO2)0.89(CeO2)x(CuO)0.11-x陶瓷片。作为本专利技术的制备方法的优选技术方案，目标样品(ZrO2)0.89(CeO2)x(CuO)0.11-x中x＝0～0.10。柠檬酸的摩尔质量为组分中含有的金属离子的量的1.5倍，乙二醇的重量为柠檬酸重量的1.2倍。与现有技术相比，本专利技术的有益效果表现在：本专利技术通过对固体氧化物燃料电池(ZrO2)0.89(CeO2)x(CuO)0.11-x三元体系(x＝0，0.02，0.04，0.06，0.08，0.10)六个组分进行探索，采用超声波辅助溶胶凝胶法制备固体电解质，在氧化锆基中掺杂生产氧化铈和氧化铜，以期望提高氧化锆基的电导率。制备方法包括溶胶的制备、干燥、焙烧、研磨后制成超细粉体，再经压制成型，成型后的样品烧结制成电解质陶瓷片。通过红外、热重差示扫描量热、XRD、扫描电镜、交流阻抗测试对所得的干凝胶粉末及相应的ZrO2-CeO2复合材料的性能进行了表征。实验结果显示制备出的(ZrO2)0.89(CeO2)x(CuO)0.11-x体系的电导率较低，但相对来说，可以看出随着CeO2含量的增加，电导率有所提高：800℃时，由x＝0时的0.00375S·cm-1提高到x＝0.10时的0.00665S·cm-1。附图说明图1为实施例1中获得的(ZrO2)0.89(CeO2)x(CuO)0.11-x电解质粉体材料的XRD图。图2为不同掺杂比例干凝胶粉体的红外光图谱。图3为(ZrO2)0.89(CeO2)0.10(CuO)0.01干凝胶的TG-DSC热分析曲线。图4为(ZrO2)0.89(CeO2)0.1(CuO)0.01电解质样品在不同温度下得到的阻抗谱图。图5为不同组分电解质样品的电导率图。图6为不同组分样品温度和电导率阿伦尼乌斯曲线图。图7为1350℃烧结得到的(ZrO2)0.89(CeO2)0.1(CuO)0.01样品不同放大倍率的SEM图。具体实施方式以下结合实施例和附图对本专利技术的改性ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法作出进一步的详述。实施例1一种改性ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法，步骤如下：①、按照目标样品(ZrO2)0.89(CeO2)x(CuO)0.11-x的化学计量比，称取硝酸锆、硝酸铈、硝酸铜，加入30ml蒸馏水中，然后加入柠檬酸，充分搅拌使其溶解。实验共计6组，x分别取自0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.10。对于每一组实验，柠檬酸的摩尔质量为组分中含有的金属离子的量的1.5倍。②、向混合液中加入乙二醇(重量为柠檬酸重量的1.2倍)，然后将溶液放在超声波清洗机里超声，使乙二醇分散均匀。③、将稀氨水作为pH调节剂滴定溶液，调节溶液pH值为7。④、在80℃恒温水浴加热搅拌，直至形成溶胶，静置一段时间后形成凝胶。⑤、将凝胶放入烘箱中烘24小时，取出后放入马弗炉中于700℃下煅烧10小时，煅烧结束后降至室温，取出坩埚，将粉末充分研磨至超细粉，得到(ZrO2)0.89(CeO2)x(CuO)0.11-x电解质粉体材料。⑥、将获得的超细粉加入PVA进行造粒，造粒期间必须保证充分研磨使得粉体与PVA混合均匀；将粉体在14Mpa压力下压制成片；将压制成型的片放入的程序升温炉进行烧结，在1350℃下保温200分钟，即得ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料(ZrO2)0.89(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种改性ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：①、按照目标样品(ZrO2)0.89(CeO2)x(CuO)0.11‑x的化学计量比，称取硝酸锆、硝酸铈、硝酸铜，加入30ml蒸馏水中，然后加入柠檬酸，充分搅拌使其溶解；②、向混合液中加入乙二醇，然后将溶液放在超声波清洗机里超声，使乙二醇分散均匀；③、将稀氨水作为pH调节剂滴定溶液，调节溶液pH值为7；④、在80℃恒温水浴加热搅拌，直至形成溶胶，静置一段时间后形成凝胶；⑤、将凝胶放入烘箱中烘24小时，取出后放入马弗炉中于700℃下煅烧10小时，煅烧结束后降至室温，取出坩埚，将粉末充分研磨至超细粉，得到(ZrO2)0.89(CeO2)x(CuO)0.11‑x电解质粉体材料；⑥、将获得的超细粉加入PVA进行造粒，造粒期间必须保证充分研磨使得粉体与PVA混合均匀；将粉体在14Mpa压力下压制成片；将压制成型的片放入的程序升温炉进行烧结，在1350℃下保温200分钟，即得ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料(ZrO2)0.89(CeO2)x(CuO)0.11‑x陶瓷片。

【技术特征摘要】
1.一种改性ZrO2基固体复合电解质陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：①、按照目标样品(ZrO2)0.89(CeO2)x(CuO)0.11-x的化学计量比，称取硝酸锆、硝酸铈、硝酸铜，加入30ml蒸馏水中，然后加入柠檬酸，充分搅拌使其溶解；②、向混合液中加入乙二醇，然后将溶液放在超声波清洗机里超声，使乙二醇分散均匀；③、将稀氨水作为pH调节剂滴定溶液，调节溶液pH值为7；④、在80℃恒温水浴加热搅拌，直至形成溶胶，静置一段时间后形成凝胶；⑤、将凝胶放入烘箱中烘24小时，取出后放入马弗炉中于700℃下煅烧10小时，煅烧结束后降至室温，取出坩埚，将粉末充分研磨至超细粉，得到(ZrO2)0.89(...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳杰，董强，魏安乐，尹奇异，徐洁，孟俊杰，贺浪欣，余向阳，夏鹏鹏，陈志强，廖文浩，
申请(专利权)人：合肥学院，
类型：发明
国别省市：安徽,34