高氧离子传导率稀土掺杂氧化锆陶瓷粉体成分设计与制备

【作者】 薛倩楠； 黄小卫； 冯宗玉； 王良士； 徐宏； 张建星；

【机构】 北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心； 有研稀土新材料股份有限公司；

【摘要】 固体氧化物燃料电池（SOFC）可应用于大型发电站及不间断供电场所等。由于其采用全固态技术,电池系统稳定性是最明显的优势。其中,固态电解质的氧离子传导率是重要的性能指标。本文利用第一性原理与实验制备相结合的方法对稀土掺杂氧化锆粉体进行了成分设计以及合成。基于密度泛函理论的总能计算表明,稀土元素钪（Sc）掺杂量达到21.88 mol%时,其立方相与四方相体系总能差最大,可以得到稳定立方相。过渡态扩散势垒（NEB）计算表明,稀土元素钪（Sc）掺杂陶瓷体（ScSZ）比钇（Y）掺杂的陶瓷体（YSZ）氧离子传输势垒低,氧空位形成能低,因此Sc SZ氧离子传导率高于YSZ。根据前期计算设计掺杂比例为21.88 mol%,采用共沉淀方法制备得到ScSZ粉体,对其进行XRD-Rietveld以及Raman结构表征发现,粉体晶体结构与立方相标准卡片对应较好;进一步地,对其进行了电化学交流阻抗以及直流电导率测试,并绘制阿累尼乌斯曲线,其在850℃时电导率可达180 m S·cm^-1,达到SOFC的应用性能要求。更多还原