一种低烧结温度的氧离子导电陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于陶瓷燃料电池领域，尤其涉及一种低烧结温度的氧离子导电陶瓷材料及其制备方法。本发明专利技术的目的是针对现有技术中氧离子导体氧化铈基电解质的烧结性能差、烧结助剂影响电解质的电导率等问题，提供了一种低烧结温度的陶瓷燃料电池氧离子导电陶瓷电解质及其制备方法。所述电解质材料表达式为(Ce

【技术实现步骤摘要】
一种低烧结温度的氧离子导电陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于陶瓷
，具体涉及一种低烧结温度的陶瓷燃料电池氧离子导电陶瓷电解质及其制备方法。

技术介绍

[0002]陶瓷燃料电池(SOFC)是能直接高效的将化学能转化为电能的重要电化学装置，其可广泛用于固定发电和交通运输中。传统常用的SOFC电解质材料主要是氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)，然而YSZ需要在800-1000℃的高温运行，由此导致了组成材料的高成本、物理和化学降解等一系列问题。因此，急需使电池的运行温度降低到800℃以下，从而可以使用廉价的材料并可扩大其潜在的应用范围。掺杂CeO2由于具有高的氧离子电导率并与电极有良好的兼容性，因而被认为是最有前景的中温SOFC(IT-SOFCs)陶瓷电解质材料之一。掺杂各种不同浓度掺杂物(如Gd
3+
，Sm
3+
，Y
3+
，Ca
2+
等)CeO2基材料的离子电导率已被广泛研究，其中Gd
3+
是被认为CeO2基(GDC)固体电解质中最好的掺杂物之一。
[0003]然而，氧化铈基材料的主要问题之一是烧结性比较差。为降低烧结温度，可以使用各种物理化学方法合成超细氧化铈基粉末，如：溶胶-凝胶法、共沉淀法、化学燃烧蒸发法和高强机械球磨法等。另一方面，使用如CuO、Al2O3、MnO2、ZnO和CoO等烧结助剂也能促进致密，但是这些添加剂对氧化铈陶瓷的电导率是相对有害的。
[0004]为了解决现有技术中氧化铈基电解质的烧结性能差、烧结助剂影响电解质的电导率等问题，本专利技术公开了一种低烧结温度的氧离子导电陶瓷材料及其制备方法，通过使用低廉的Fe2O3作为烧结助剂，不仅能够有效降低GDC的烧结温度，甚至也能够提高GDC的电导率。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术中氧化铈基电解质的烧结性能差、烧结助剂影响电解质的电导率等问题，提供了一种低烧结温度的氧离子导电陶瓷材料及其制备方法，通过使用低廉的Fe2O3作为GDC(钆掺杂的氧化铈，Ce
0.90
Gd
0.10
O
1.95
)的烧结助剂，不仅能使GDC的烧结温度降低200-300℃，也能使GDC的电导率提高10-15％。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种低烧结温度的氧离子导电陶瓷材料，所述电解质材料表达式为(Ce
0.90
Gd
0.10
O
1.95
)
1-x
+(Fe2O3)
x
，其中，x为Fe2O3的添加量，0＜x≤0.015。
[0008]本专利技术的另一目的是提供所述的一种氧离子导电陶瓷电解质的制备方法，包括如下步骤：
[0009](a)本专利技术的方法是首先制备GDC粉末，然后再将烧结助剂Fe2O3粉末添加入GDC粉末中；
[0010](b)按照GDC的化学计量比，分别称取一定量的Gd2O3和CeO2粉体原料；
[0011](c)将上述粉体与去离子水和球充分混合，并放在行星式球磨机上球磨，球磨后将
料倒入烧杯并放入烘箱中烘干；
[0012](d)将烘干后的样品倒入研钵中充分碾碎、过筛；
[0013](e)将过筛后的粉料装于坩埚内，并放入马弗炉中进行煅烧，合成GDC粉末；
[0014](f)将预烧后的GDC粉末与适量Fe2O3粉末混合后进行二次球磨、干燥、研磨、过筛，得到GDC与Fe2O3混合物；
[0015](g)将得到的粉料破碎、加入质量分数5％的聚乙烯醇(PVA)造粒，并在150MPa的压力下经干压成圆片(直径约为13mm，厚度约为1mm)，分别在不同温度烧结，GDC试样需在1600℃空气中保温5小时，得到所需的电解质圆片。
[0016]优选的，步骤(c)中料∶球∶水质量比1∶2∶3，球磨机转速为300r/min，球磨时间为8h。
[0017]优选的，步骤(d)中过筛目数为80目。
[0018]优选的，步骤(e)中煅烧温度1200℃，煅烧时间为2h。
[0019]优选的，步骤(f)中二次球磨的料∶球∶水质量比1∶2∶3，球磨机转速为250r/min，球磨时间为8-16h，并且过筛目数为80-100目。
[0020]优选的，步骤(g)中(Ce
0.90
Gd
0.10
O
1.95
)
1-x
+(Fe2O3)
x
圆片的烧结温度为1250-1500℃，烧结时间为2h。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0022](1)本专利技术通过简单的固相反应法，通过使用低廉的Fe2O3作为GDC的烧结助剂，获得一种适用于陶瓷燃料电池的电解质材料，本专利技术制备方法操作简单。
[0023](2)本专利技术使用的烧结助剂，不仅能使GDC的烧结温度降低200-300℃，也能使GDC的电导率提高10-15％。
[0024](3)本专利技术制备的陶瓷燃料电池电解质材料具有良好的烧结性能和电导率，解决现有陶瓷燃料电池GDC电解质的烧结性能及其在中温区域(600-800℃)的使用问题。
附图说明
[0025]图1是本专利技术实施例1中制备烧结的(Ce
0.90
Gd
0.10
O
1.95
)
0.985
+(Fe2O3)
0.015
电解质的XRD图；
[0026]图2是本专利技术实施例1中制备烧结的(Ce
0.90
Gd
0.10
O
1.95
)
0.985
+(Fe2O3)
0.015
与GDC电解质在不同烧结温度下的相对密度；
[0027]图3是本专利技术实施例1中制备烧结的(Ce
0.90
Gd
0.10
O
1.95
)
0.985
+(Fe2O3)
0.015
电解质在最佳烧结温度(1350℃/2h)的SEM图；
[0028]图4是本专利技术实施例1中制备烧结的(Ce
0.90
Gd
0.10
O
1.95
)
0.985
+(Fe2O3)
0.015
与GDC电解质在不同测试温度下的离子电导率；
[0029]图5是本专利技术实施例2中制备烧结的(Ce
0.90
Gd
0.10
O
1.95
)
0.995
+(Fe2O3)
0.005
电解质的XRD图；
[0030]图6是本专利技术实施例2中制备烧结的(Ce
0.90
Gd...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低烧结温度的氧离子导电陶瓷材料，其特征在于，所述陶瓷电解质材料为萤石矿结构，表达式为(Ce
0.90
Gd
0.10
O
1.95
)
1-x
+(Fe2O3)
x
，其中，x为烧结助剂Fe2O3的添加量，0＜x≤0.015。2.权利要求1所述的一种低烧结温度的氧离子导电陶瓷电解质的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(a)本发明的方法是首先制备GDC粉末，然后再将烧结助剂Fe2O3粉末添加入GDC粉末中；(b)按照GDC的化学计量比，分别称取一定量的Gd2O3和CeO2粉体原料；(c)将上述粉体与去离子水和球充分混合，并放在行星式球磨机上球磨，球磨后将料倒入烧杯并放入烘箱中烘干；(d)将烘干后的样品倒入研钵中充分碾碎、过筛；(e)将过筛后的粉料装于坩埚内，并放入马弗炉中进行煅烧，合成GDC粉末；(f)将预烧后的GDC粉末与适量Fe2O3粉末混合后进行二次球磨、干燥、研磨、过筛，得到GDC与Fe2O3混合物；(g)将得到的粉料破碎、加入质量分数5％的聚乙烯醇(PVA)造粒，并在150MPa的压力下经干压成圆片(直径约为13mm，厚度约为1m...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷波，郑益锋，张明泽，朱惠良，范昌龙，廖佳，
申请(专利权)人：宜兴摩根热陶瓷有限公司，
类型：发明
国别省市：