一种氧化铈基电解质及其制备方法和应用技术

技术编号：40502693 阅读：12 留言：0更新日期：2024-02-26 19:30

本发明专利技术公开了一种氧化铈基电解质及其制备方法和应用，涉及电解质材料技术领域。氧化铈基电解质的化学组成为Gd<subgt;x</subgt;Ce<subgt;1‑x‑y</subgt;Me<subgt;y</subgt;O<subgt;2‑3x/2</subgt;，Me分别为Zr、Hf、Ta、Nb、W、Mo、Si、Ge、P等元素中的一种或几种，其中x的数值在0.01‑0.4之间，y的数值在0.01‑0.3之间。本发明专利技术制备的Gd<subgt;x</subgt;Ce<subgt;1‑x‑</subgt;<subgt;y</subgt;Me<subgt;y</subgt;O<subgt;2‑3x/2</subgt;电解质，其离子电导率与迁移数高，原料来源广，制备工艺简单。其中Gd<subgt;0.1</subgt;Ce<subgt;0.89</subgt;Zr<subgt;0.01</subgt;O<subgt;1.95</subgt;在400℃时电导率达到1.57×10<supgt;‑3</supgt;S/cm，在700℃时还原气氛下(3％H<subgt;2</subgt;‑Ar)氧离子迁移数>0.9，是一种在中低温下具有良好电导率且抗还原能力强的氧化铈基电解质，可应用于中低温固态氧化物燃料电池。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电解质材料，具体涉及一种氧化铈基电解质及其制备方法和应用。

技术介绍

1、当今社会对可再生能源需求日益增长，燃料电池是一种高效、清洁、可持续的能源转换来源。其中，固体氧化物燃料电池(sofc)因其高效、低成本和可使用碳氢化合物、煤气等多种燃料而备受关注。sofc的基本组成部分由两组多孔电极和夹在其中的氧离子电解质组成，其中氧离子电解质承担载流子输运和隔绝两极反应气体的作用，是sofc的关键材料。氧化钇稳定氧化锆(ysz)是目前商用广泛的氧离子固态电解质，但其工作温度(800-1000℃)过高，在长时间运行时会出现电导率下降、电极烧结和电解质-电极材料界面不稳定等问题，导致其sofc循环和耐久性差。同时，过高的工作温度也会导致其能效下降。设计和开发中低温(300-750℃)氧离子固态电解质、开发中低温sofc燃料电池是sofc技术开发的关键。

2、ceo2是一种具有良好电极兼容性的萤石结构化合物。ce4+和o2-离子分别位于4a(0,0,0)和8c(1/4,1/4,1/4)的wyckoff格位上，其中4个未被占用的八面体位点提供了氧离子的扩散通道。通过掺杂低价元素可以在ceo2晶格中产生氧空位，使其在中低温下呈现出良好的电导率，以gd掺杂ceo2(gdc)为代表，ce0.9gd0.1o1.95在500℃时电导率可达0.01s/cm，是一种极具有潜力的中低温固态电解质。然而在还原环境下，gdc电解质中的ce4+易被还原为ce3+，产生明显的电子电导，使氧离子迁移数下降，形成电池内电流，使得电池性能下降。同时

技术实现思路

1、针对上述
技术介绍
中存在的不足。本专利技术提供一种氧化铈基电解质及其制备方法和应用。该方法制备的gdxce1-x-ymeyo2-3x/2电解质，其离子电导率与迁移数高，原料来源广，制备工艺简单。其中gd0.1ce0.89zr0.01o1.95在400℃时电导率达到1.57×10-3s/cm，在700℃时还原气氛下(3％h2-ar)氧离子迁移数>0.9，是一种在中低温下具有良好电导率且抗还原能力强的氧化铈基电解质，可应用于中低温固态氧化物燃料电池。

2、本专利技术第一个目的是提供一种氧化铈基电解质，所述氧化铈基电解质的化学组成表示式为：gdxce1-x-ymeyo2-3x/2，其中，x的数值为0.01-0.4；y的数值为0.01-0.3；

3、me为zr、hf、ta、nb、w、mo、si、ge、p元素中的一种或多种。

4、优选的，所述氧化铈基电解质的化学组成表示式为：gd0.1ce0.89zr0.01o1.95，gd0.1ce0.87zr0.03o1.95，gd0.1ce0.89ta0.01o1.95，gd0.1ce0.84mo0.06o2.01，gd0.2ce0.74nb0.06o1.93。

5、优选的，所述氧化铈基电解质在700℃时于还原气氛下的氧离子迁移数>0.85。

6、本专利技术第二个目的是提供一种氧化铈基电解质的制备方法，包括以下步骤：

7、按照元素占比进行配料，得到混合物浆料；

8、将混合物浆料干燥后进行煅烧，得到煅烧后的粉末；

9、将煅烧后的粉末，采用粘结剂，经压制成型后烧结，获得所述氧化铈基电解质。

10、优选的，所述按照元素占比进行配料时，采用的原料为氧化物、碳酸盐、草酸盐或铵盐，并在使用之前于100-1000℃下干燥3-10小时。

11、优选的，所述得到混合物浆料过程中，将所配的料于行星球磨机中进行，以无水乙醇为介质，转速为300～500r/min，球磨时间1-10小时。

12、优选的，所述煅烧温度为900-1300℃，煅烧时长为4-96小时。

13、优选的，所述烧结温度为1100-1600℃，烧结时长为2-48小时。

14、优选的，所述粘结剂为聚乙醇溶液。

15、本专利技术第三个目的是提供一种氧化铈基电解质在固态氧化物燃料电池中的应用。

16、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：

17、本专利技术提供的一种氧化铈基电解质及其制备方法和应用，该氧化铈基电解质在400-700℃时为单相且结构稳定，在400-700℃时具有优良的离子电导率。在400℃时，gd0.1ce0.89zr0.01o1.95在氧化(o2)和还原(3％h2-ar)条件下电导率分别为1.576×10-3s/cm和1.578×10-3s/cm。在gdc中引入原子半径小且稳定的zr4+，晶胞体积和ce-o键长逐渐减小，ce在gd0.1ce0.89zr0.01o1.95具有更高的键价，使得ce4+的还原被抑制。因此gd0.1ce0.89zr0.01o1.95在空气、氩氢混合气中表现出良好的气氛稳定性。

18、本专利技术公开的氧化铈基电解质原料来源广，制备工艺简单，是一种能够满足中低温固态氧化物燃料电池应用的电解质材料。

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【技术保护点】

1.一种氧化铈基电解质，其特征在于，所述氧化铈基电解质的化学组成表示式为：GdxCe1-x-yMeyO2-3x/2，其中，x的数值为0.01-0.4；y的数值为0.01-0.3；

2.根据权利要求1所述的氧化铈基电解质，其特征在于，所述氧化铈基电解质的化学组成表示式为：Gd0.1Ce0.89Zr0.01O1.95，Gd0.1Ce0.87Zr0.03O1.95，Gd0.1Ce0.89Ta0.01O1.95，Gd0.1Ce0.84Mo0.06O2.01，Gd0.2Ce0.74Nb0.06O1.93。

3.根据权利要求1所述的氧化铈基电解质，其特征在于，所述氧化铈基电解质在700℃时于还原气氛下的氧离子迁移数>0.85。

4.一种权利要求1～3任一项所述的氧化铈基电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的氧化铈基电解质的制备方法，其特征在于，所述按照元素占比进行配料时，采用的原料为氧化物、碳酸盐、草酸盐或铵盐，并在使用之前于100-1000℃下干燥3-10小时。

6.根据权利要求4所述的氧化铈

7.根据权利要求4所述的氧化铈基电解质的制备方法，其特征在于，所述煅烧温度为900-1300℃，煅烧时长为4-96小时。

8.根据权利要求4所述的氧化铈基电解质的制备方法，其特征在于，所述烧结温度为1100-1600℃，烧结时长为2-48小时。

9.根据权利要求4所述的氧化铈基电解质的制备方法，其特征在于，所述粘结剂为聚乙醇溶液。

10.一种权利要求1～3任一项所述的氧化铈基电解质在固态氧化物燃料电池中的应用。

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【技术特征摘要】

1.一种氧化铈基电解质，其特征在于，所述氧化铈基电解质的化学组成表示式为：gdxce1-x-ymeyo2-3x/2，其中，x的数值为0.01-0.4；y的数值为0.01-0.3；

2.根据权利要求1所述的氧化铈基电解质，其特征在于，所述氧化铈基电解质的化学组成表示式为：gd0.1ce0.89zr0.01o1.95，gd0.1ce0.87zr0.03o1.95，gd0.1ce0.89ta0.01o1.95，gd0.1ce0.84mo0.06o2.01，gd0.2ce0.74nb0.06o1.93。

3.根据权利要求1所述的氧化铈基电解质，其特征在于，所述氧化铈基电解质在700℃时于还原气氛下的氧离子迁移数>0.85。

4.一种权利要求1～3任一项所述的氧化铈基电解质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的氧化铈基电解质的制备...

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

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