一种Ga、Mg共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Ga、Mg共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料，其化学式如下：La

【技术实现步骤摘要】
一种Ga、Mg共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，尤其涉及一种Ga、Mg共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]人类社会的发展离不开能源的使用，而现今世界上使用的主要是化学能源，而化学能源是有限的，终将会消耗一空。这决定了使用化学能源不是人类能源供给的长久之策。为了保证人类能源的持续性供应，并减少在能源使用过程中对于自然环境的破坏，新能源的研究和应用受到了广泛的重视，作为新能源技术之一的燃料电池，近年来更是在诸多方面取得了长足的进步。
[0003]燃料电池可以分为五大类：碱性燃料电(AFC，AlkalineFuelCell)、磷酸燃料电池(PAFC，Phosphoric AeidFuel)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC，Moltne Carbonate Fuel Cell)、质子交换膜燃料电池(PEMFE，Proton Exchnage Membrnae FuelCell)和固体氧化物燃料电池(SOFC，Solid Oxide Fuel Cell)。其中，固体氧化物燃料电池(SOFC)作为第三代燃料电池，相对于之前的燃料电池来说，具有污染小、效率高等显著优点，是举世公认的绿色能源技术。SOFC的组成主要包括阴极、阳极和电解质三个部分，是基于固体氧化物电解质发展而来的。SOFC不存在液体电解质可能流失和腐蚀电极的问题，相比其他燃料电池，在很多方面具有明显的优势。
[0004]要想使SOFC达成产业化和常用化，中低温化是其发展的必然要求，而中低温化的主要出路之一就是寻找更加适合的电解质材料。为了实现SOFC的中低温化，解决其性能的瓶颈，人们主要从两个方面进行努力，一是研究探索各类高性能的电解质隔膜，二是开发各种新型的电解质材料。磷灰石型电解质材料是是一种新型的电解质材料，其离子电导率高，热膨胀系数与电极材料相近，受到了研究者的重点关注。磷灰石型电解质材料的出现，解决了传统电解质的诸多问题(如与电极材料相容性不好、特定气氛下稳定性差等)。它的性能优势非常明显，尤其是具有低活化能这一特性，符合SOFC的中低温化发展趋势。因此，对磷灰石型电解质材料进行更为深入的研究，充分其发挥自身优势，并且进一步发掘其潜力显得尤为重要。

技术实现思路

[0005]基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种Ga、Mg共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料及其制备方法。
[0006]本专利技术提出的一种Ga、Mg共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料，所述固体电解质材料的化学式如下：La
9.33
Si
4.5
Ga
1.5
‑
x
Mg
x
O
26
‑
δ
，其中0.1≤x≤0.5。
[0007]其中，x可以选择不同的数值例如x＝0.1、0.2、0.3、0.4、0.5；优选地，所述固体电解质材料的化学式中，0.3≤x≤0.4。
[0008]其中，δ的含义为Ga、Mg元素的掺杂量，其可以根据电荷平衡计算得到。
[0009]一种所述的Ga、Mg共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料的制备方法，包括下述步骤：
[0010]S1、按化学式称取正硅酸乙酯、镁源、镓源、镧源，先将正硅酸乙酯与络合剂加入无水乙醇中搅拌均匀，然后加入乙二醇搅拌合均匀，再加入镁源、镓源、镧源搅拌均匀，用氨水将pH调至中性，得到凝胶；
[0011]S2、将所述凝胶用微波诱导自燃烧反应，然后经过烘干、球磨，得到粉体；
[0012]S3、将所述粉体与粘结剂混合研磨造粒，然后经过压制成型、烧结，得到Ga、Mg共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料。
[0013]优选地，S1中，络合剂的用量为金属离子物质的量之和的1.2
‑
1.5倍；优选地，所述络合剂为柠檬酸、氨基酸或其组合；优选地，所述络合剂由柠檬酸、氨基酸按摩尔比为1:1组成。
[0014]本专利技术中，对氨基酸的种类不作特别限制，常见氨基酸均可，例如可以是色氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、络氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酰氨、丙氨酸、精氨酸、组氨酸、脯氨酸中的一种或者几种的组合。
[0015]优选地，S1中，乙二醇的摩尔量与正硅酸乙酯的摩尔量相等。
[0016]优选地，S1中，镁源为硝酸镁，镓源为硝酸镓，镧源为硝酸镧。
[0017]优选地，S2中，微波诱导自燃烧反应的微波功率为800
‑
1800W，反应时间为10
‑
60min。
[0018]优选地，S2中，烧结温度为1250
‑
1600℃，烧结时间为2
‑
6h。
[0019]本专利技术的有益效果如下：
[0020]磷灰石型La
9.33
Si6O
26
(简称LSO)是一种在中低温下具有优良氧离子电导性能的磷灰石型硅酸镧固体电解质材料。本专利技术在其基础上，开发了Ga、Mg共掺杂改性磷灰石型硅酸镧固体电解质材料，其化学式如下：La
9.33
Si
4.5
Ga
1.5
‑
x
Mg
x
O
26
‑
δ
，其中0.1≤x≤0.5，该材料在中低温下的氧离子电导率得到了显著的提升，在SOFC领域具有很好的应用前景。
[0021]本专利技术的合成方法采用微波辅助溶胶凝胶
‑
自燃烧法，具有反应时间短，成本低，高效，反应均一的特点。
附图说明
[0022]图1为本专利技术实施例1制得的La
9.33
Si
4.5
Ga
1.5
‑
x
Mg
x
O
26
‑
δ
样品的XRD测试结果。
[0023]图2为本专利技术实施例1制得的La
9.33
Si
4.5
Ga
1.5
‑
x
Mg
x
O
26
‑
δ
样品(x＝0.3)的SEM测试结果。
[0024]图3为本专利技术实施例1制得的La
9.33
Si
4.5
Ga
1.5
‑
x
Mg
x
O
26
‑
δ
样品的电导率测试结果。
[0025]图4为本专利技术实施例1制得的La
9.33
Si
4.5
Ga
1.5
‑
x
Mg
x
O
26
‑
δ
样品的电导率的Arrhenius曲线。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ga、Mg共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料，其特征在于，所述固体电解质材料的化学式如下：La
9.33
Si
4.5
Ga
1.5
‑
x
Mg
x
O
26
‑
δ
，其中0.1≤x≤0.5。2.根据权利要求1所述的Ga、Mg共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料，其特征在于，所述固体电解质材料的化学式中，0.3≤x≤0.4。3.一种如权利要求1或2所述的Ga、Mg共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：S1、按化学式称取正硅酸乙酯、镁源、镓源、镧源，先将正硅酸乙酯与络合剂加入无水乙醇中搅拌均匀，然后加入乙二醇搅拌合均匀，再加入镁源、镓源、镧源搅拌均匀，用氨水将pH调至中性，得到凝胶；S2、将所述凝胶用微波诱导自燃烧反应，然后经过烘干、球磨，得到粉体；S3、将所述粉体与粘结剂混合研磨造粒，然后经过压制成型、烧结，得到Ga、Mg共掺杂磷灰石型硅酸镧固体电解质材料。4.根据权利要求3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晴，阳杰，李东，司小强，易立，
申请(专利权)人：合肥学院，
类型：发明
国别省市：