一种改性钒酸铋基氧离子导体材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种中低温区具有高氧离子电导率的氧离子导体材料及其制备方法。所述材料的化学组成表示式为：Bi4(V1‑

【技术实现步骤摘要】
一种改性钒酸铋基氧离子导体材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于新型固态氧离子导体与固态电解质
，涉及在中低温固态氧化物燃料电池电解质、氧传感器用的固态离子导体材料及制备方法，具体涉及一种改性钒酸铋基氧离子导体材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]固态氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)作为一种新型、清洁的能源转换装置，因其全固态结构耐久性强、转换效率高(60
‑
80％)、燃料种类多、电极无需贵金属、无一氧化碳中毒威胁等优点而备受关注，在发电、交通、空间宇航等领域具有广阔的应用前景，被称为21世纪的绿色能源。夹在两个电极之间的致密电解质层是固态氧化物燃料电池的关键材料，负责载流子输运和隔绝两电极的反应气体。氧化钇稳定氧化锆(YSZ)电解质在800
‑
1000℃下离子电导率可达到0.1S/cm，是目前普遍商用的氧离子导体，但其高工作温度引起的电极烧结、密封成本高、电解质与电极材料之间的界面扩散和热不稳定性等问题限制以YSZ为电解质的SOFC电池的应用。降低SOFC的操作温度、保持相/热稳定性并且达到所需电导率水平是SOFC电解质研究开发的主要目标。设计和开发中低温(300
‑
750℃)下的新型固态氧离子导体是实现中低温固态氧化物燃料电池应用的关键。
[0003]化合物Bi4V2O
11
是由(Bi2O2)
2+
层和类钙钛矿(VO
3.5
□
0.5r/>)2‑
层交替形成，
□
表示本征氧空位，晶体结构中存在的氧空位使得该类材料在中低温下具有良好的离子电导率，其中Cu掺杂形成的四方相Bi4V
1.8
Cu
0.2
O
10.7
是目前报道中低温下离子电导率最高的化合物，在300℃时晶粒电导率达到了1
×
10
‑3S/cm，但因陶瓷晶界电阻较大，材料总体电导率约为10
‑4S/cm量级，在实际应用中仍待进一步提高，以实现更好的电学性能。另外，氧离子导体材料在氧传感器中也具有广泛的应用，中低温高电导率的氧离子导体材料对于提高传感器的性能也具有重要价值。

技术实现思路

[0004]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种改性钒酸铋基氧离子导体材料及其制备方法，本专利技术的改性钒酸铋基氧离子导体材料在300℃及以上温度具有高氧离子电导率。
[0005]按照本专利技术的一个方面，提供一种改性钒酸铋基氧离子导体材料，其特征在于所述改性钒酸铋基氧离子导体材料的化学组成表示式为：Bi4(V1‑
y
M
y
)
x
O
11+z
，其中M为金属阳离子，选自铜、铬、银、镁、钛、镍、锌等中的一种或几种，其中1.7≤x≤2.2且x≠2，0＜y≤0.3，z取决于所述M阳离子组成电中性平衡。
[0006]其中，优选地，所述M为铜，并且x＝1.9，y＝0.1。
[0007]按照本专利技术的另一个方面，提供上述改性钒酸铋基氧离子导体材料的制备方法，包括如下步骤:
[0008](1)以含铋化合物、含钒化合物和含金属M化合物作为原料，按上述化学组成表示
式中铋、钒和金属M元素占比进行配料，然后混合均匀得到混合物；
[0009](2)将混合物烘干后煅烧；
[0010](3)将煅烧后的粉末以聚乙烯醇(PVA)溶液为粘结剂压制成型后烧结，得到所述改性钒酸铋基氧离子导体材料。
[0011]其中，所述方法还可以包括在混合前将含铋化合物、含钒化合物和含金属M化合物原料在100～500℃下干燥2
‑
12小时。
[0012]其中，所述混合是在行星球磨机中进行的，球料比为2:1，球磨介质为无水乙醇，转速为300r/min，球磨时间2～12小时。
[0013]其中，所述煅烧的煅烧温度为500～800℃，煅烧时间为12～96小时。
[0014]其中，所述烧结的烧结温度为750～900℃，烧结时间为0.5～6小时。
[0015]优选地，步骤(1)中含铋化合物为氧化铋，含钒化合物为五氧化二钒，含金属M化合物为金属M的氧化物或者碳酸盐。
[0016]本专利技术制备的改性钒酸铋基氧离子导体材料Bi4(V1‑
y
M
y
)
x
O
11+z
结构稳定，电导率高，其中Bi4(V
0.9
Cu
0.1
)
1.9
O
10.465
在300℃时，晶粒电导率在10
‑2S/cm量级，陶瓷总离子电导率达1.2
×
10
‑3S/cm，高于当前最高文献报道值约1个数量级，其原料成本低、制备工艺简单，可满足中低温氧化物燃料电池及氧传感器的应用要求。
附图说明
[0017]图1为按照本专利技术实施例1的改性钒酸铋基氧离子导体材料的X射线衍射图谱；
[0018]图2为按照本专利技术实施例1的改性钒酸铋基氧离子导体材料的扫描电镜图；
[0019]图3示出了按照本专利技术实施例1的改性钒酸铋基氧离子导体材料的温度
‑
电导率数据。
具体实施方式
[0020]为了更清楚地理解本专利技术的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。
[0021]本专利技术提供的改性钒酸铋基氧离子导体材料的化学式为Bi4(V1‑
y
M
y
)
x
O
11+z
,其中M为金属阳离子，选自铜、铬、银、镁、钛、镍、锌等中一种或几种金属元素，其中x的数值在1.7到2.2之间且x≠2，y的数值大于0并且小于等于0.3，z由M阳离子组成决定。
[0022]所述的改性钒酸铋基氧离子导体材料的制备方法，包括如下步骤:
[0023](1)将含铋化合物、含钒化合物和含金属M化合物原料在100～500℃下干燥2～12小时。
[0024](2)将步骤(1)中的原料干粉按化学式Bi4(V1‑
y
M
y
)
x
O
11+z
称量配料。
[0025](3)将步骤(2)中称量的粉料在球磨机中混合，球料比为2:1，无水乙醇为球磨介质，转速为300r/min，球磨2～12小时。
[0026](4)将步骤(3)获得的浆料在烘箱中烘干。
[0027](5)将步骤(4)中得到的混合料在500～800℃煅烧12～96小时。
[0028](6)将步骤(5)煅烧的粉末添加聚乙烯醇(PVA)溶液作为粘结剂压制成型，在750～900℃烧结0.5～6小时，即得到本专利技术的高氧离子电导率的改性钒酸铋基氧离子导体材料。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性钒酸铋基氧离子导体材料，其中所述改性钒酸铋基氧离子导体材料的化学组成表示式为：Bi4(V1‑
y
M
y
)
x
O
11+z
，其中M为金属阳离子，选自铜、铬、银、镁、钛、镍、锌等中的一种或几种，其中1.7≤x≤2.2且x≠2，0＜y≤0.3，z取决于所述金属阳离子组成电中性平衡。2.按照权利要求1所述的改性钒酸铋基氧离子导体材料，其中所述M为铜，并且x＝1.9，y＝0.1。3.一种按照权利要求1所述的改性钒酸铋基氧离子导体材料的制备方法，包括如下步骤:(1)以含铋化合物、含钒化合物和含金属M化合物作为原料，按所述化学组成表示式中铋、钒和金属M元素占比进行配料，然后混合均匀得到混合物；(2)将混合物烘干...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春海，姬智林，严维新，王昭丰，罗发，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：