一种氧化锌、氧化钇双掺杂二氧化锆与碱金属盐复合物及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氧化锌、氧化钇双掺杂二氧化锆与碱金属盐复合物及其制备方法，通过将氧化锌、氧化钇双掺杂的二氧化锆与碱金属盐以一定质量配比复合，采用设定的复合方法，大大降低了复合煅烧温度，得到一种致密性好、烧结性能稳定以及电导率高的复合物，用其作为电解质制成的燃料电池，最大输出功率密度可达315.5mW·cm

A kind of zinc oxide, yttria double doped zirconia and alkali metal salt complex and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种氧化锌、氧化钇双掺杂二氧化锆与碱金属盐复合物及其制备方法
本专利技术涉及固体燃料电解质，特别涉及一种固体燃料中复合电解质及其制备方法。
技术介绍
固体电解质是固体氧化物燃料电池(SOFC)的核心组件；而二氧化锆(ZrO2)基固体电解质因其拥有较高的离子电导率，良好的化学稳定性和结构稳定性，成为目前研究最深入、应用最为广泛的一类电解质材料。研究表明，二氧化锆存在3种晶体结构即单斜(m)、四方(t)和立方(c)，纯ZrO2在一定范围内为稳定的立方萤石结构(c-ZrO2)。为了提高ZrO2的抗热震性，需在纯ZrO2中添加某些金属氧化物如CaO等碱土金属氧化物(CSZ)或Y2O3等稀土元素氧化物(YSZ)，以抑制t→m的相变，使立方相或四方相在室温保留下来。K.V.Kravchyk等采用阳离子氢氧化物沉淀法制备了ZrO2-Y2O3-Fe2O3粉末，在353K干燥沉淀物，然后在1673K退火处理，在1723K对ZrO2-Y2O3-Fe2O3在空气中烧结2小时。向蓝翔等采用按比例配好的ZrO2-Y2O3材料中加入Al2O3，再经1550℃下常压烧结的方法形成ZrO2-Y2O3-Al2O3新材料，以此来提高ZrO2-Y2O3材料的性能。赵文广等采用共沉淀法合成了Y2O3-MgO-ZrO2粉体，研究了pH值对溶胶体系电位的影响；并应用XRD、交流阻抗法测定了Y2O3-MgO-ZrO2陶瓷的相结构与电导率。但以上复合物的制备温度较高，制备的复合物的工作温度也较高，在综合性能方面仍有待提高。<br>为了提高二氧化锆基电解质的气密性、烧结性能、力学性能、离子电导率，以及为了开发一种烧结温度低、用其组装而成的固体燃料电池工作温度低且输出功率密度大的电解质材料，亟需研究一种二氧化锆基复合电解质材料。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术人进行了锐意研究，结果发现：通过将氧化锌、氧化钇双掺杂二氧化锆与碱金属盐以一定质量配比复合，采用设定的复合方法，大大降低了复合温度，并且得到一种致密性好、热力学性能稳定以及电导率高的复合物，用其作为电解质制成的燃料电池，最大输出功率密度可达315.5mW·cm-2，而且其工作温度显著降低，从而完成了本专利技术。本专利技术的目的在于提供以下方面：第一方面，本专利技术提供一种掺杂的二氧化锆-碱金属盐复合物，所述掺杂的二氧化锆与碱金属盐的质量之比为(1.5～10.5)：1。其中，所述掺杂的二氧化锆为双掺杂的二氧化锆，所述碱金属盐为钠盐和钾盐的共熔体。其中，所述双掺杂的二氧化锆为氧化锌、氧化钇双掺杂二氧化锆。第二方面，本专利技术还提供一种上述的复合物的方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，将掺杂的二氧化锆与碱金属盐混合，得到混合物；步骤2，将所述混合物压片；步骤3，将所述压片煅烧，制得复合物。第三方面，上述第一方面所述复合物或根据第二方面所述方法制得的复合物用作固体燃料电池电解质的用途。附图说明图1示出样品与标准谱图的XRD衍射图谱；图2～图9示出样品的表面形貌和断面形貌的SEM图；图10示出样品的电导率结果图；图11、图12分别示出双掺杂电解质YSZ+4ZnO以及实施例1产物的氧浓差电池放电曲线图；图13示出样品的氧分压与电导率的关系曲线图；图14示出样品的交流阻抗图；图15、图16、图17分别示出YSZ+4ZnO、实施例2产物、实施例1产物作为电解质组装成的H2/O2燃料电池在700℃下的I-V-P关系图。具体实施方式下面通过对本专利技术进行详细说明，本专利技术的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。以下详述本专利技术。根据本专利技术的第一方面，提供一种掺杂的二氧化锆-碱金属盐复合物，所述掺杂的二氧化锆与碱金属盐的质量之比为(1.5～10.5)：1；优选为(2～10)：1，更优选为(2.5～9.5)：1，更进一步优选为(3～9)：1，如4:1。所述掺杂的二氧化锆为双掺杂二氧化锆，优选为氧化钇、氧化锌掺杂二氧化锆；所述碱金属盐为钠盐和钾盐的共熔体。所述氧化钇、氧化锌、二氧化锆的摩尔比为(5～10)：(2～6)：(84～93)；优选为(6～9)：(3～5)：(86～91)；更优选为8:4:88。氧化锆(ZrO2)是一种极其重要的结构功能材料，它具有良好的物理性能和化学性能，自从1975年澳大利亚科学家Garvie首先利用ZrO2相变增韧特性应用于陶瓷材料以来它便一直吸引着众多的科学家的兴趣，不仅成为了陶瓷材料领域中的研究热点，而且也广泛应用于固体电解质电池、耐火材料、压电元件、陶瓷电容器、气敏元件、陶瓷内燃机引擎、光学玻璃和二氧化锆纤维及锆催化剂等。研究表明，氧化锆存在三种晶型为单斜相(m-ZrO2)、四方相(t-ZrO2)和立方相(c-ZrO2)，以上三种晶体结构可以相互转变，氧化锆在室温条件下通常只有单斜相(m-ZrO2)稳定存在，只有当温度达到1170℃以上时氧化锆才会从单斜相变为四方相，此过程是一个可逆相变；在2370℃左右时二氧化锆发生了从四方相(t-ZrO2)变为立方相(c-ZrO2)的可逆相变；控制温度在2370-2680℃时，二氧化锆可以形成稳定的立方萤石结构，在2680℃以上二氧化锆会发生熔化。然而在温度降低过程中，四方相变为单斜相存在着滞后现象并且产生了一定的体积膨胀(3-5％)，会使基体出现开裂现象，因此需要掺杂金属氧化物作为稳定剂，不仅能够使二氧化锆趋于稳定而且也能提高其离子电导率。通常采用氧化钇掺杂二氧化锆得到氧化钇稳定二氧化锆。本专利技术人认为，氧化钇掺杂二氧化锆时，氧化钇的用量一般为摩尔数占比为5～10％，优选为6～9％，所得到的钇稳定氧化锆性能较好。部分稳定的ZrO2-Y2O3材料，虽然其力学和热力学性能较强，但其电学性能较差。全稳定的ZrO2-Y2O3材料电解质虽然有较强的电性能，但是它的力学及热力学性能却较差。为了解决这些矛盾，人们试图在二元体系中添加第三种成分来提高其综合性能。O.Bohnke等在水溶液中使用化学沉淀法得到ZrO2-Sc2O3-Fe2O3和ZrO2-Sc2O3粉末，然后在1380℃下烧结得到陶瓷材料。F.Yuan等以Zr(NO3)4、ZnO、Sc2O3粉末为起始材料用共沉淀法制备ZnO-Sc2O3-ZrO2三元体系样品。但是烧结温度和工作温度仍较高，电性能也有待提高。陕西理工大学的马小玲等研究了“氧化锌掺杂对氧化锆电解质导电性能影响”，研究表明在试样中掺杂氧化锌可以促进烧结，当氧化锌掺量大于2％(物质的量分数)后，试样的电导率下降。但是其烧结温度仍然较高，达到1300℃，而且其电导率较低。天津大学的江虹等研究了“ZnO对8YSZ电解质材料的烧结性与电化学性能的影响”，通过在8YSZ中添加ZnO量分别为0，1％，2％，3％，4％，在不同温度下常压烧结制备了ZnO与8YSZ的双掺杂二氧化锆电解质；结果表明：3％掺杂的Z本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂的二氧化锆-碱金属盐复合物，其特征在于，所述掺杂的二氧化锆与碱金属盐的质量之比为(1.5～10.5)：1。/n

【技术特征摘要】
1.一种掺杂的二氧化锆-碱金属盐复合物，其特征在于，所述掺杂的二氧化锆与碱金属盐的质量之比为(1.5～10.5)：1。


2.根据权利要求1所述的复合物，其特征在于，所述掺杂的二氧化锆为双掺杂的二氧化锆，所述碱金属盐为钠盐和钾盐的共熔体。


3.根据权利要求2所述的复合物，其特征在于，所述双掺杂的二氧化锆为氧化钇、氧化锌双掺杂二氧化锆。


4.一种制备权利要求1至3之一所述的复合物的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，将掺杂的二氧化锆与碱金属盐混合均匀，得到混合物；
步骤2，将所述混合物压片；
步骤3，将所述压片煅烧，制得复合物。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
步骤1中，所述掺杂的二氧化锆为双掺杂二氧化锆；所述碱金属盐为钠盐和钾盐的共熔体；
步骤2中，所述压片时的压强为4～12MPa；
步骤3中，在500～1500℃下煅烧。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤1中，所述双掺杂二氧化锆按以下步骤进行制备：
步骤1-1，取单掺杂二氧化锆与掺杂源II混合均匀；
步骤1-2，将步骤1-1的混合物烧结。


7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪涛，陈继堂，韩燕，
申请(专利权)人：阜阳师范学院，
类型：发明
国别省市：安徽;34