三层结构透氧膜的制备和氧表面交换过程研究

致密陶瓷透氧膜在甲烷部分氧化（POM）和富氧燃烧中有重要应用。设计和制备具有较高透氧率和还原气氛下稳定性良好的透氧膜是研究的一个重要方向。本项目设计并制备一种由致密层/过渡层/修饰层构成的多层结构透氧膜。以LaSr3Fe3O10基混合导体为致密层；将致密层材料与Ce0.8Sm0.2O2或8YSZ制成双相材料，通过丝网印刷法将其涂覆在致密层上作为过渡层；采用NiO包覆的Ce0.8Sm0.2O2或8YSZ作为修饰层材料，通过电泳沉积法将其沉积在过渡层上，制成多层结构透氧膜。采用扫描开尔文探针技术结合SEM、EDS和XPS等测试手段，通过对材料功函数演化规律的研究，揭示单相和双相材料在透氧和POM反应中氧电子得失过程的变化规律。项目研究成果对理解透氧和POM反应机理以及指导透氧膜材料选择和设计有重要意义。

本项目针对三层结构透氧膜制备以及氧表面交换过程这两个主要研究内容开展了如下工作.1、单相混合导体。LaSr3Fe3-xMnxO10为p型导体，通过氧空位扩散形成氧离子电导，随锰含量增加，样品中氧空位浓度增加，电导率下降，根据西贝克系数与过渡金属离子自旋态配置数的关系，得到了700℃和800℃过渡金属的3d轨道电子排布情况，表面势测试表明，电子逸出所需能量由小到大的顺序为：φ0.8<φ0.2<φ0.4<φ0.0<φ0.6（下标数字表示Mn掺杂量）；CeNbO4+δ材料离子电导机制为间隙氧扩散形成氧离子电导，通过XPS分析给出了CeNbO4中存在Ce3+和Ce4+离子的证据，CeNbO4和CeNbO4.25样品的氧离子迁移率均约为0.4，氧离子短程扩散活化能约为0.34eV，电导机制为间隙氧和电子耦合跃迁机制。2、双相混合导体。LaSr3Fe3O10（LSFO）-Sm0.2Ce0.8O双相材料高温化学匹配性较好，LaSr3Fe3O10与YSZ或La2Mo2O9（LMO）混合获得的双相混合导体材料在800度有其它相生成；表面势测试表明在LSFO/LMO双相材料中， 与LSFO相比La2Mo2O9电子逸出所需能量更低，在La2Mo2O9和LSFO/LMO双相材料界面处La2Mo2O9更容易失去电子。NiO/ La2Mo2O9表面势研究表明La2Mo2O9失去电子所需能量最大，NiO失去电子所需能量最小，在NiO/ La2Mo2O9双相材料中，NiO相更容易给出电子。与La2Mo2O9相比，NiO/La2Mo2O9双材料更容易给出电子；对固相法制备0.36BiScO3-0.64PbTiO3工艺及低温介电性能进行了研究。3、采用电泳沉积方法制备了NiO-YSZ/YSZ，NiO-La2Mo2O9/La2Mo2O9， LaSr3Fe3O10 -Sm0.2Ce0.8/ Sm0.2Ce0.8/YSZ半电池，在电泳沉积方法中重点研究了水为分散介质，固体电解质为基体时的半电池的制备工艺参数和沉积层形貌。. 总之，通过对双相材料中氧离子导体相中氧的短程扩散行为变化的研究，判断双相材料中各相达到渗逾的临界值；采用电泳沉积方法，在环境友好的水性体系中在导电性不佳的氧离子导体材料基体上制备了双相混合导体涂层；通过表面势的研究，从逸出电子所需能量的角度对不同材料表面逸出电子的能力进行了比较。