基于SOFC阳极的稀土掺杂钛酸锶基混合导体材料的制备及电子-离子传导机制的研究

SrTiO3-based material with perovskite structure (ABO3) is mixed ionic-electronic conductor as a promising anode for solid oxide fuel cells (SOFCs). However, the electronic-ionic conduction mechanism is not clear. In our previous work, systematic investigations were carried out to improve the low electronic and ionic conductivities of SrTiO3 by Y and Fe co-doping at A-site and B-site of SrTiO3. In the present work, Y, Sc;Y，ln and Y, Fe (Fe-doping amount is 0.6-0.8)co-doped SrTiO3 materials will be synthesized, The electrical properties, such as total electrical conductivity and ionic conductivity, the coefficient of thermal expansion and the electrical conductivity under different oxygen partial pressure will be investigated. The charge compensation mechanism may be disscussed by Y-doping amount, Sc,ln and Fe doping amounts and A-site deficiency amount change, respectively. Based on the existing problems of the anode for SOFC, the Ni of Ni-YSZ will be replace by rare metals doped SrTiO3 and the electrical properties and thermal expansion of complex phase ceramic will be investigated, which can demonstrate the theoretical significance and application value as an anode for SOFC.

A，B位共掺杂钛酸锶同时具有电子-离子混合导电，因而能够用于固体燃料电池阳极材料，然而具体的电子-离子导电的机制不清。前期我们已证实，Y, Fe共掺杂能够促进钛酸锶材料的电子和离子传导。本课题分别以Y, Sc；Y,ln和Y，Fe（Fe掺杂量增大至0.8）对钛酸锶的A位和B位进行共掺杂，测试其总电导率和离子电导率，热膨胀系数以及不同氧分压下的电子-离子电导率，通过分别控制A位上Y的掺杂量变化，B位上Sc，ln和Fe的掺杂量变化以及A位缺位量的变化，进一步探讨其电荷补偿机制。基于SOFC阳极材料目前存在的问题，拟确定采用稀土共掺杂的钛酸锶取代Ni-YSZ中的Ni，测定其电子-离子电导率，热膨胀性以及不同氧分压下的电导率，拟证明稀土掺杂钛酸锶材料在SOFC阳极材料的理论意义与应用价值。

本项目，研究了Y, Sc、Y, In和Y, Fe(B位Fe掺杂量变化)共掺杂的钛酸锶材料，分别控制A位上的Y掺杂量，B位上不同离子的掺杂量以及A位缺位量，通过总电导率和离子电导率的分别测试，提出电荷补偿机制，明确电子-离子混合传导机理。.首先，依据第一性原理计算不同Y掺杂量的SrTiO3材料能带结构和电子态密度的变化，首次提出Y在SrTiO3 中的最佳掺杂量，研究结果表明，Y在SrTiO3 中的最佳掺杂量具有一定的实际指导意义。其次，揭示了A位Y掺杂量的改变对材料的晶体结构、烧结性能，热膨胀以及电性能的影响规律。YxSr1-xTi0.9In0.1O3-δ 的电荷补偿机制可以推测为：YxSr1-xIn0.1Ti4+1-x-y1Ti3+x-y2O3-(δ+0.1/2) (y1+y2=0.1)。明确了B位不同离子掺杂对Y, Sc、Y, In和Y, Fe共掺杂的钛酸锶材料的电化学、热膨胀等影响规律。Y0.08Sr0.92Ti1-xScxO3-δ的电荷补偿机制可以推测为：Y0.08Sr0.92ScxTi4+0.92-xTi3+0.08O3-(δ+x/2)和Y0.08Sr0.92ScxTi4+0.92-x1Ti3+0.08+-x2O3-(δ+x1/2) (x=x1+x2)。阐明了A位缺位量Y, Sc和Y, In共掺杂的钛酸锶材料的电化学、热膨胀等影响规律。(Y0.08Sr0.92)1-xTi0.92In0.08O3-δ 的电荷补偿机制可以推测为(Y0.08Sr0.92)1-xIn0.08Ti4+0.92(1-x)-y1Ti3+0.08(1-x)-y2O3-(δ+y1/2) (y1+y2=0.08)：以上所有材料热膨胀系数与8 YSZ(10.7×10-6 K-1)都非常接近，不同氧分压下，电导率也变化不大。.我国稀土赋存较为丰富，但在世界上，稀土元素共掺杂钙钛矿材料的制备以及各性能的研究相较还不完善，亟待发展。掺杂的SrTiO3材料的制备大多使用固相法合成和溶胶凝胶法，固相法颗粒较为粗大，成分分布不均匀，溶胶凝胶法成本更大，本研究通过直接在溶胶中分散金属氧化物解决了这个问题，A、B位共掺杂钛酸锶材料的电子-离子混合导电机制不清晰，本研究通过总电导和离子电导分别测试进一步明确了电子-离子导电机制，研究结果具有一定的科学意义，相信将钙钛矿材料在燃料电池及氧传感器上具有较好的应用前景。