Tm3+和Gd3+双掺杂CeO2复合电解质的合成及其中温电性能

陈 卫， 胡文丽

(阜阳幼儿师范高等专科学校 小学教育学院， 安徽 阜阳 236015)

0 引言

固体电解质因其优良的离子导电性而广泛地应用于固体氧化物燃料电池(SOFC)、化工、冶金等领域[1-5]。传统的SOFC采用氧化钇稳定氧化锆(YSZ)作为电解质，工作温度一般在800 ℃以上，其成本高，限制了实际应用[6-10]。掺杂CeO2基的固体电解质比YSZ具有更高的离子电导率和更低的活化能，是一种良好的氧离子导体[11-15]。例如，Arabaci等用Pechini法合成了Sm3+掺杂的CeO2[14]，结果表明，稀土氧化物的掺杂效果优于碱土氧化物，其中以Sm3+和Gd3+的掺杂效果最好。CeO2基固体电解质材料大多采用液相法制备，这是因为与传统的固相合成相比，液相法可以制备出均匀的高纯度纳米粉体，且反应温度较低。

提高固体电解质电导率的主要方法是构建复合电解质。近年来，CeO2基-碳酸盐、CeO2基-氯化物和CeO2基-硫酸盐复合电解质在固体电解质研究中显示出各自的优势[16-22]。例如，Liu等合成了Ce0.8Gd0.2O2-α-K2SO4-Li2SO4复合电解质，XRD结果表明，由于发生碱金属离子之间的同晶取代，复合电解质有微弱的KLiSO4衍射峰[18]。Yao等合成了Ce0.8Gd0.2O2-α与 (Li/Na)2SO4复合电解质，结果表明，XRD谱中有相应的(Li/Na)2SO4衍射峰[22]。研究表明，共掺杂可以有效地抑制电子传导和提高其导电性[13]。Tm3+离子的半径为0.088 nm，更接近Ce4+的半径(0.087 nm)。因此，本研究首先采用硝酸盐-柠檬酸燃烧法合成了单一电解质Ce0.8Gd0.1Tm0.1O2-α，再以硫酸钾和硫酸锂二元硫酸盐与Ce0.8Gd0.1Tm0.1O2-α粉体混合制备复合电解质Ce0.8Gd0.1Tm0.1O2-α-KLiSO4。用X射线衍射(XRD)测定了Ce0.8Gd0.1Tm0.1O2-α和Ce0.8Gd0.1-Tm0.1O2-α-KLiSO4的晶体结构。用交流阻抗法测定了复合电解质在500～800 ℃范围内的电学性能。

1 实验部分

采用硝酸盐-柠檬酸燃烧法合成了单一电解质Ce0.8Gd0.1Tm0.1O2-α。……