不同周期数GDC/YSZ多层电解质薄膜的电学性能与结构稳定性

利用反应磁控溅射方法在蓝宝石单晶衬底上制备了调制周期相同、周期数不同的GDC/YSZ纳米多层薄膜,采用X射线衍射、原子力显微镜对薄膜结构、粗糙度、生长形貌进行了表征,利用交流阻抗谱仪测试了多层薄膜不同温度下的电学性能。结果表明衬底上首层薄膜是整个多层膜的生长模板,首先沉积GDC时多层膜呈无规则生长而首先沉积YSZ时多层膜为(111)织构;GDC/YSZ多层膜的生长是一个逐渐粗糙化的过程,随着薄膜厚度的增大(周期数的增多),多层膜粗糙度与晶粒尺寸增大;随着周期数的增多,多层膜电导率逐渐增大,但电导活化能基本保持不变(约1.3eV);在500～800℃下退火,多层膜结构稳定,但由于薄膜晶粒长大,导致其电导率小幅降低(降低百分比<5%)。

调制比对GDC/YSZ多层氧离子导体薄膜结构与电学性能的影响

采用反应射频磁控溅射技术在(0001)蓝宝石基片上制备了不同调制结构的(GDC/YSZ)12多层氧离子导体电解质薄膜。利用电子探针微区分析技术测得薄膜的摩尔质量比为m(Zr):m(Y)=5.73:1、m(Ce):m(Gd)=4.12:1;X射线衍射(XRD)与小角X射线反射(XRR)结果表明,GDC/YSZ调制比为5:1、2:1和1:2的样品(A1～A3)具有好的超晶格结构,而A4样品未形成超晶格结构;原子力显微镜形貌分析结果表明多层膜呈密集岛状生长形貌,与GDC、YSZ单层膜比较,多层膜生长岛尺寸减小,密度增大,表面粗糙度明显减小;电学性能测试与理论分析结果表明,界面缺陷使多层膜电导率提高,而GDC成分增多,则超晶格多层膜电导率增大。

复合电极Pt/5YSZ/GDC10的制备与优化（英文）

固体电极对于制备可实现高效能源转换和气体排放控制的固体氧化物器件具有重要意义。固体氧化物电极广泛用于固体氧化物燃料电池和电解池,然而其高温可靠性不完全令人满意。由铂(Pt)和氧化钇稳定的氧化锆(yttria stabilized zirconia,YSZ)制成的复合电极Pt/YSZ已广泛应用在氧气和氮氧化物(NOx)气体传感器上,即使在恶劣条件下其也表现出良好稳定性。常规Pt/YSZ电极Pt含量较高,增加了材料成本。本文旨在开发一种基于Pt、钆掺杂的氧化铈(10 mol%gadolinia doped ceria,GDC10)和氧化钇稳定的氧化锆(5 mol%yttria stabilized zirconia,5YSZ)的三组分固体电极,同两组分的Pt/YSZ电极相比,三组分电极Pt/5YSZ/GDC10的极化电阻和Pt含量都较低。在该三组分电极中,5YSZ可强化电极同5YSZ电解质间的连接,电极最佳组分(Pt/5YSZ/GDC10)配比为1:1:1。通过引入适当石墨,可以进一步降低电极铂含量,同时可以达到更低的极化电极电阻。石墨最佳添加量在10-30wt.%。电极进行SDC20浸渍处理可显著提升其电性能。浸渍后的电极对温度变化更敏感,活化能为100-120 k J·mol^(-1)。电极同电解质共烧与二者单独烧结相比,前者的电极电阻稍高。

YSZ/STO/YSZ-STO超晶格电解质薄膜低温电学特性

采用脉冲激光沉积法，在单侧抛光的STO基底上制备YSZ／STO／YSZ超品格薄膜。利用x射线衍射、扫描电镜和射频阻抗／材料分析仪对多层膜的物相结构、表面形貌以及电学特性等进行表征。实验结果发现，YSZ／STD／YSZ超晶格薄膜在300～500％之间，其电导活化能最小值为0．76eV，在300℃ 时测得的电导率比体材料的电导率提高了三个数量级。

CeO_2夹层在YSZ基SOFC中的研究进展

回顾了Y_2O_3、Sm_2O_3和Gd_2O_3掺杂的CeO_2夹层(YDC、SDC和GDC)在Y_2O_3稳定的ZrO_2(YSZ)基SOFC中的发展历史以及目前发展状况,分析了粉体的制备方法、夹层的沉积工艺、陶瓷烧结工艺对CeO_2夹层性能的影响。从材料的化学相容性和热膨胀匹配等方面阐述了制备CeO_2夹层的目的,对CeO_2夹层大大提高电极性能进行了详尽的机理分析。指明了CeO_2夹层对SOFC的重要作用和发展前景。

与不同氧化物复合的La0．8Ca0．2FeO3钙钛矿用于低浓度甲烷的催化燃烧

用沉淀沉积法制备了沉积在YSZ、GDC和MgO 3种载体上的La0.8Ca0.2FeO3(La8Ca2)钙钛矿复合催化剂,在程序升温反应和质谱联用仪中考察其对低体积分数甲烷(1%)的催化燃烧反应活性。用SEM、BET、XRD对其物理化学性质进行表征。实验发现,不同载体的最佳摩尔比例分别为La8Ca2/7YSZ、La8Ca2/6GDC和La8Ca2/4MgO。3种载体均能提高钙钛矿的催化活性和热稳定性,YSZ和GDC因与La8Ca2存在相互作用,能成倍提高催化剂活性;3种载体中,MgO抗烧结能力最强,YSZ热稳定性最差,但仍高于La8Ca2。

(Ce0.9Gd0.1O2-δ/ZrO2:8%(摩尔分数)Y2O3)n超晶格电解质薄膜的制备与特性

采用脉冲激光沉积技术(PLD),在SrTiO_3(STO)单晶片上依次沉积钇稳定氧化锆(ZrO_2∶8%(摩尔分数)Y_2O_3,YSZ)和氧化钆掺杂的氧化铈(Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(2-δ),GDC)制备出5种不同调制周期数n(n=4,6,10,20,30)的(Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(2-δ)/ZrO_2:8%(摩尔分数)Y_2O_3)_n超晶格电解质薄膜。利用X射线衍射(XRD)、高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)和扫描电子显微镜(SEM),研究(GDC/YSZ)n超晶格电解质薄膜的形貌和晶体结构,发现薄膜表面颗粒生长致密、均匀,薄膜的界面处无元素扩散,外延生长状况良好,薄膜的结构优异。电化学测量研究表明,随着(GDC/YSZ)n超晶格电解质界面数的增加,其离子电导率相应增加,(GDC/YSZ)n=30超晶格电解质的离子电导率最大。

退火温度对（STO/YSZ/GDC）4超晶格电解质薄膜的影响

采用脉冲激光沉积技术(PLD),在Al2O3单晶基底上交替沉积SrTiO3(STO)、8%(摩尔分数)Y2O3掺杂ZrO2(YSZ)和Ce0.9Gd0.1O2-δ(GDC),制备出四种不同退火温度的超晶格电解质薄膜。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X-荧光光谱仪和射频阻抗材料分析仪对不同退火温度下的样品进行形貌、元素组成和电学性能测试。结果表明,随着退火温度的升高,薄膜的外延生长更为良好,晶粒的均匀性和致密性得到改善,薄膜和基底的结合变的紧密、清晰。(STO/YSZ/GDC)4超晶格电解质薄膜在退火温度为800℃时电导率最大。

燃料电池的发展与应用

随着科技的进步,人们生活水平的提高,能源的需求也在不断增加。而消耗不可再生的化石燃料不仅会带来温室气体增加的问题,也不符合可持续发展的理念。因此,开发应用新能源技术这一课题被提上日程。燃料电池就是一种潜力巨大的新能源。燃料电池不同于蓄电池,它是直接将燃料中的化学能转化为电能的装置,且所用的燃料清洁无污染。

衬底温度对STO/YSZ/GDC超晶格电解质的影响

以Al2O_(3)作为单晶衬底,采用激光脉冲溅射技术(PLD)制备了四种不同衬底温度的STO/YSZ/GDC(SrTiO_(3)/8 mol%Y2O_(3)∶ZrO_(2)/Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(2)-δ)超晶格电解质。采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对薄膜生长特性进行表征,利用频阻抗/材料分析仪测试了STO/YSZ/GDC超晶格电解质的电学特性。结果表明,当衬底温度为750℃时,STO/YSZ/GDC超晶格电解质表面平整,晶粒排列紧密,薄膜整体结晶良好;STO、YSZ和GDC都沿(111)取向择优生长。随着衬底温度的提高,晶粒尺寸减小,克服的势垒降低,活化能变小,电导率增大。

Ag-GDC复合电极的性能及其在直接碳SOFC中的应用

制备了Ag与Gd掺杂的氧化铈(GDC)复合的电极材料。采用氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为电解质,Ag-GDC为阴极和阳极,组装成固体氧化物燃料电池(SOFC),采用担载5%(质量分数)Fe的活性炭为SOFC的燃料,对此直接碳SOFC(DC-SOFC)的输出性能及阻抗谱进行测试,并与采用传统阴极(掺Sr的锰酸镧与YSZ的复合材料)的DC-SOFC性能进行了比较,发现Ag-GDC具有更好的性能。采用扫描电镜(SEM)对电池的微观结构进行了分析,并就其对电池性能的影响进行了分析。

YSZ/Al_2O_3复合薄膜高温绝缘层的研究

采用电子束蒸发、射频磁控溅射、等离子喷涂等方法,在镍基高温合金基底上制备YSZ(质量分数12%Y2O3稳定的Zr O2)、Al2O3复合薄膜结构绝缘层,并研究了复合薄膜结构绝缘层在室温到800℃范围内的绝缘特性,以及高温对复合薄膜晶体结构和表面形貌的影响。结果表明:晶态YSZ/非晶态YSZ/Al2O3结构绝缘层在室温下的绝缘电阻大于1.2 GΩ,在800℃大气环境下有150 kΩ左右的绝缘电阻。在室温到800℃范围内,随温度升高其绝缘电阻呈近指数下降的变化规律。经过在800℃大气环境中热处理8 h,YSZ的立方相结构未发生改变,Al2O3表面十分致密,表明该复合结构绝缘层薄膜具有良好的高温绝缘性能和稳定性。