高压下新型钙钛矿固体电解质材料的制备、结构调控和输运性质

固体氧化物电解质材料，是当前凝聚态物理、材料科学和能源领域的前沿课题和研究热点之一，在固体氧化物燃料电池、传感器和氧分离等诸多方面具有广泛的应用前景。本项目拟用高压方法合成钙钛矿结构的LnGaO3(Ln=Sm-Gd)基新型固体氧化物电解质材料。利用高压方法和不同离子掺杂为调控手段，有效地调整钙钛矿相中氧空位的分布，研究这种材料的微结构、氧离子输运性质及其微观机理；通过分析和确定原子和氧空位所处位置，揭示晶体结构的对称性与氧离子输运性质之间的内在联系，以此为基础指导电解质材料的设计，获得高离子电导率的钙钛矿固体氧化物电解质材料；在高压极端条件下，检验和发展钙钛矿固体氧化物电解质材料的氧离子输运机理。为开发和设计新型钙钛矿固体氧化物电解质材料提供一种新的合成途径和必要的物理基础，丰富常压下钙钛矿固体氧化物电解质材料所不具有的新性质，为高压固态离子学的发展提供基础性研究成果。

发展和设计中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)所需的电解质和电极材料是SOFC商业化进程中的关键问题。本项目探索了用高温高压方法制备钙钛矿结构的LnGaO3基固体氧化物电解质材料，在4GPa、1100oC保压30分钟获得了主相为GdGaO3的氧化物，但始终存在杂质相。通过优化制备条件，在1.5GPa、800oC时合成出重复性很好的单相La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ和La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ (LSGM)电解质材料，为镓酸镧基电解质材料的制备提供了一种新的方法，分析了高压与常压下合成LSGM电解质材料的结构特征和电输运性能的差异。研究了Co掺杂镓酸镧电解质材料的结构与输运性质，阐述了结构调控对材料导电性的影响，给出了该材料在不同温度范围内的电输运机制。研究了双钙钛矿结构的系列阴极材料LnBaCo2O5+δ的性能，确定了结构缺陷对阴极材料的输运性质和电催化活性的影响，揭示了阴极材料的电输运和反应过程的相关机理性问题。研究了新型双钙钛矿阳极材料A2FeMoO6-δ (A=Ca, Sr, Ba)的结构和输运性质，阐明了碱土离子和电子结构对阳极材料电输运和电化学性能的影响规律与机制。这些研究工作为IT-SOFC电解质和电极材料的发展和设计提供了物理基础。项目执行期间，共发表SCI收录论文13 篇，获国家发明专利2项，培养博士研究生2人，硕士研究生4人。