中温SOFC铈基电解质低温致密化研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 梁锦平 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2011-06-08 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 朱庆山 |
| 关键词 | 固体氧化物燃料电池 铈基电解质 低温烧结 共沉淀-超临界 特征烧结曲线 |
| 其他题名 | Low Temperature Densification of Intermediate-Temperature SOFC Ceria-Based Electrolyte |
| 学位专业 | 化学工程 |
| 中文摘要 | 本论文主要针对铈基电解质的难烧结问题，分别从材料性能优化、烧结助剂优化和烧结工艺优化三个方面展开研究来实现材料的低温致密化，取得的主要创新性成果如下：（1）通过将超临界干燥技术与共沉淀合成工艺相结合，以碳酸铵为沉淀剂，制备了超细纳米Ce0.8Gd0.2O1.9（GDC20）粉体。该粉体分散性高、团聚弱、流动性好，400oC焙烧后比表面积高达113.4 m2·g-1，平均晶粒仅为~ 6 nm。等温烧结研究表明粉体经900 oC烧结4 h后相对密度可达99.9 %，平均晶粒尺寸约为100 nm，是目前铈基电解质材料优化烧结领域的最佳结果。粉体的高烧结活性源于超临界干燥技术对粉体微观结构性质的优化。低温烧结不仅抑制晶粒生长，同时有利于提高材料电导性能。粉体经900 oC烧结后700 oC时电导率高达5.39 S·m-1，优于大多数文献报道结果。然而，低温烧结GDC20的高温稳定性相对较弱，适当提高烧结温度有利于保持其热稳定性，1000 oC烧结坯体老化后700 oC时电导率可达4.96 S·m-1。（2）采用恒速升温方法研究了纳米GDC20的致密化机理。晶界扩散是纳米GDC20致密化主导机制，但烧结过程中伴随一定程度的表面扩散，特别是当升温速率较低时比较明显。烧结初期活化能仅为文献报道微米/亚微米粉体值的1/5 ~1/7；烧结中期平均活化能为260 kJ·mol-1，约为传统粉体的1/3。以非等温烧结数据为基础，第一次建立了平均粒径10 nm以下的纳米GDC20粉体的特征烧结曲线（MSC），该曲线能较好的反映纳米GDC20的致密化过程，可据此有效预测和控制粉体的烧结结果。（3）通过添加少量LiOx（0.5 mol% ~ 2.0 mol%）作为烧结助剂，进一步降低了纳米GDC20的致密化温度至750 oC，这是铈基材料助剂烧结研究中的最低温度。750oC烧结时，材料致密化时间随Li含量增加迅速缩短。Li2O的作用机理在于将GDC20的致密化机制由主导的晶界扩散转变为液相扩散，通过加速物质扩散使材料的致密化温度降低。电导研究显示Li最佳浓度介于1.0 mol %和1.5 mol %之间，750 oC烧结后Li-GDC20 700 oC时最高电导率超过5.00 S·m-1，老化后相同条件下仍可达4.15 S·m-1，说明助剂LiOx不会显著降低材料的电导性能，且高温稳定性较佳。然而，Li-GDC20不适合于高温烧结，熔出的Li2O将导致材料电性能剧降。（4）采用两步法优化了烧结工艺。两步法烧结工艺不仅显著降低材料的致密化温度，同时抑制烧结后期晶粒生长。该工艺使纳米GDC20粉体于750 oC实现致密化，获得了高质量的纳米晶电解质材料，平均晶粒仅为~ 60 nm。并且，致密化温度越低，晶粒越小，材料电导率越高。两步法烧结的GDC20电解质材料热稳定性较高，700 oC时最高电导率达3.64 S·m-1。 |
| 英文摘要 | The present thesis focused on reducing sintering temperature for ceria-based electrolyte mainly through three ways, as powder morphology control, sintering aid addition and sintering process optimization. The main results are as follows: |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-09-23 |
| 页码 | 138 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1666]  |
| 专题 | 过程工程研究所_研究所（批量导入） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 梁锦平. 中温SOFC铈基电解质低温致密化研究[D]. 中国科学院研究生院. 2011. |
入库方式： OAI收割
来源：过程工程研究所
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