钙钛矿型复合氧化物高熵陶瓷/过渡金属碳氮化物高熵陶瓷/固体氧化物燃料电池(SOFC)材料
钙钛矿型复合氧化物高熵陶瓷/过渡金属碳氮化物高熵陶瓷/固体氧化物燃料电池(SOFC)材料
钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体结构,尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能,被应用或可被应用在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧化还原催化剂等诸多领域,成为化学、物理和材料等领域的研究热点。
钙钛矿结构
钙钛矿型复合氧化物因具有天然钙钛矿(CaTiO3)结构而命名,与之相似的结构有正交、菱方、四方、单斜和三斜构型。标准钙钛矿结构中,A2+和O2_离子共同构成近似立方密堆积,A离子有12个氧配位,氧离子同时有属于8个BO6八面体共享角,每个氧离子有6个阳离子(4A~2B)连接,B2+离子有6个氧配位,占据着由氧离子形成的全部氧八面体空隙。钙钛矿结构的对称性较同种原子构成的较紧密堆积的对称性低,A、B离子大小匹配。各离子半径间满足下列关系:
其中RA、RB、RO分别为A离子、B离子和O2-离子的半径,但也存在不遵循该式的结构,可由Gold schmidt容忍因子t来度量:
理想结构只在t接近1或高温情况下出现,多数结构是它的不同畸变形式,这些畸变结构在高温时转变为立方结构,当t在0.77~1.1,以钙钛矿存在;t<0.77,以铁钛矿存在;t>1.1时以方解石或文石型存在。
钙钛矿型氧化物材料的研究进展
标准钙钛矿中A或B位被其它金属离子取代或部分取代后可合成各种复合氧化物,形成阴离子缺陷或不同价态的B位离子,是一类性能优异、用途广泛的新型功能材料。
固体氧化物燃料电池(SOFC)材料
钙钛矿氧化物燃料电池SOFC有以下优点:(1)全固态结构,不存在液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题;(2)无须使用贵金属电极,电池成本大大降低;(3)燃料适用范围广;(4)燃料可以在电池内部重整。通过电极材料中的掺杂来提高活性,优化碱锰电池的充放电性能(参见表1)。用含锰的钙钛矿氧化物作为碱性溶液中的阴极材料,获得了好的结果。因为元素锰的d电子结构在锰的三价和四价两种氧化物之间快速传递,表现出很高的电子导电性及良好的电极可充性[5]。通过掺杂Pb、Co、Ba、Ca、Sr等元素的复合钙钛矿结构,获得掺杂后的改性电极材料,Pb的掺入会对Mn—O的成键状态和MnO2晶格内的结晶水产生影响,使Mn2p3.2能级产生化学位移,结合能增大,Mn—O离子性增加,共价性减小。经过对改性电极的充放电机理实验,纳米掺杂后电池的放电容量提高40%以上[6]。La1-xSrxFe1-yCoyO3作为一种混合导体材料,具有优良的电子导电性能和离子导电性能,与La0.9Sr0.1Ca0.8Mg0.2O3、Ce0.9Gd0.1O1.95等新一代中温固体氧化物电解质有很好的相容性。因此,La1-XSrxFe1-yCoyO3体系材料是一种很有发展前景的中温SOFC阴极材料[7]。Mather等[8]用硝酸盐与尿素熔融燃烧法制备了金属阳极陶瓷材料Ni SrCe0.9Yb0.1O3-δ,实验结果表明Co的加入可降低烧结温度,可获得高的阳极孔隙率有利于阳极和电解质的吸附,经分析阳极上的亚微孔结构微粒由镍和钙钛矿粒子组成。
然而,现有钙钛矿型复合氧化物的离子电导率低,高温下呈现电子或氧离子导电性。在燃料电池应用研究中,高温下器件可稳定运行,但器件的效率或功率较低。以钙钛矿型复合氧化物为电解质时,须在大于700℃的高温下使用。因此,离子导电性高、温度使用范围宽的固体电解质及电极材料研究是今后的主要目标。现有的基质材料MnCeO3因稳定性和机械强度的问题,实现实用化仍存在一定难度;基质材料MnZrO3虽具有较高的稳定性和机械强度,但材料离子电导率低,其燃料电池的功率很难满足要求。
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