中温区具有高氧离子电导率的四方白钨矿结构钒酸铋基陶瓷及其制备方法

1.本发明涉及在中温区固态氧化物燃料电池用电解质、氧气传感器和氧气渗透膜等电子器件的固态离子导体材料及其制备方法。


背景技术：

2.固态氧化物燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的新型、清洁的发电装置，由于其环境友好、全固态结构转换效率高、燃料灵活多样排放低和长期稳定等特点而受到日益关注，在化工、能源和交通等领域具有较好的应用前景，被认为是未来可持续能源材料领域最有应用前景的清洁能源之一。氧离子导体是固态氧化物燃料电池的核心组件，用于传输载流子和有效隔绝两电极的反应气体，对实现电池的商业化起决定性作用。目前，已有可用的氧离子导体钇掺杂的zro2需要在800℃以上的高温区工作时才具有良好的离子电导率(氧离子电导率～10ms/cm)，高工作温度所带来的高成本、低化学稳定性和低安全性等系列问题使固态氧化物燃料电池器件的广泛应用严重受到了限制。中低温下(300～750℃)高氧离子导电性新型固态离子导体的缺少阻碍了固态氧化物燃料电池的商业化，设计和发掘中低温区具有高氧离子电导率的新型固态离子导体是实现中低温区固态氧化物燃料电池商业化应用的关键。此外，获得的氧离子导体还可应用于氧气传感器和氧气渗透膜等器件。含孤立四面体阴离子的白钨矿钒酸铋bivo4被报道具有混合电子-氧离子导电性，但以电子导电机制为主，电子电导率占总电导率的80～90％，且钒酸铋在250℃存在低温单斜相到高温四方相结构的可逆结构相转变。因此，设计与发掘中低温区具有高氧离子电导率的单一稳定结构钒酸铋基陶瓷将为固态氧化物燃料电池、氧气传感器及氧气渗透膜等器件在中低温区的商业化应用实现更广泛的选择性。


技术实现要素：

3.本发明目的是提供一种在500～700℃具有高氧离子电导率的单一四方白钨矿结构钒酸铋基陶瓷及其制备方法。
4.本发明涉及的高氧离子导电性四方白钨矿结构钒酸铋基陶瓷的化学组成为：bi
0.85
ca
0.15
vo
3.925
。
5.所述的高氧离子导电性四方白钨矿结构钒酸铋基陶瓷按以下步骤制备：
6.(1)将bi2o3(99.9％)，caco3(99％)，nh4vo3(99％)干燥粉末按 bi
0.85
ca
0.15
vo
3.925
化学式称量配料；
7.(2)将步骤(1)中原料倒入玛瑙研钵进行干磨，获得颗粒尺寸接近的粉末；
8.(3)向步骤(2)制得的粉末添加无水乙醇，湿式手磨至无水乙醇完全挥发；
9.(4)重复步骤(3)三次，对混合粉末压制成型后在600℃大气气氛中预烧4小时；
10.(5)对由步骤(4)预烧的片研磨成粉末后再压制成型，在750℃大气气氛中烧结 6-8小时。
11.本发明制备的四方白钨矿结构钒酸铋基陶瓷bi
0.85
ca
0.15
vo
3.925
结构稳定，在中温区500～700℃具有高的氧离子电导率，500～700℃的氧离子电导率达 0.92～6.2ms/cm；其制备工艺简单、成本低，可满足中温区固态氧化物燃料电池、氧气传感器和氧气渗透膜等器件的应用要求。
附图说明
12.图1为本发明实施例的x射线衍射图谱
具体实施方式
13.表1示出了本发明具体实施例及其导电性。其制备方法如上所述，通过粉末x-射线衍射法对烧结后的陶瓷样品进行物相分析，图1是本发明实施例的x 射线衍射图谱，表明形成了单一四方白钨矿物相，用交变电流阻抗分析仪进行陶瓷导电性的评价。
14.本发明可广泛用于中温区固态氧化物燃料电池用电解质、氧气传感器和氧气渗透膜等电子器件的制造，可满足500～700℃中温区全固态氧化物燃料电池、氧气传感器及氧气渗透膜等相关能源、交通与化工产品的技术需要。
15.表1：
16.

技术特征：
1.中温区具有高氧离子电导率的四方白钨矿结构钒酸铋基陶瓷，其特征在于，其化学组成为bi
0.85
ca
0.15
vo
3.925
，其氧离子电导率在500～700℃达0.92～6.2ms/cm。2.一种制备如权利要求1所述的中温区具有高氧离子电导率的四方白钨矿结构钒酸铋基陶瓷的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)将bi2o3，caco3，nh4vo3干燥粉末按bi
0.85
ca
0.15
vo
3.925
化学式称量配料；(2)将步骤(1)中原料倒入玛瑙研钵进行干磨，获得颗粒尺寸接近的粉末；(3)向步骤(2)制得的粉末添加无水乙醇，湿式手磨至无水乙醇完全挥发；(4)重复步骤(3)三次，对混合粉末压制成型后在600℃大气气氛中预烧4小时；(5)对由步骤(4)预烧的片研磨成粉末后再压制成型，在750℃大气气氛中烧结6-8小时。

技术总结
本发明公开了一种中温区具有高氧离子电导率的四方白钨矿结构钒酸铋基陶瓷及其制备方法，属于新型固态离子导体制备技术领域，其氧离子电导率在500～700℃达0.92～6.2mS/cm，化学组成为Bi


技术研发人员：杨小燕 匡小军
受保护的技术使用者：桂林理工大学
技术研发日：2022.03.25
技术公布日：2022/7/29