一种可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃料电池用氧离子导体材料，特别涉及一种可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料及制备方法。
【背景技术】
[0002]氧离子导体是一种多数载流子为氧离子的固体电解质。而氧离子可视为由氧气和电子组成。因此氧离子导体可认为同时传输氧气和电子。由于该特性，氧离子导体在氧传感器、固态离子器件以及固体氧化物燃料电池等清洁能源方面得到了广泛地应用与关注。但传统的氧离子导体需要在高温下才能得到较高的离子电导率，极大地限制了其应用。2000年Iacorre发现新型氧离子导体La2Mo2O9，其在中低温下仍具有传统氧离子导体基质高温下才具有的较高离子电导率，因此La2Mo2O9极大地丰富了氧离子导体的应用范围。
[0003]由于La2Mo2O9基氧离子导体的离子电导性对温度的变化较为敏感。因此，测试应用过程中氧离子导体的工作温度，对了解氧离子导体的工作状态，具有重要的意义。
[0004]接触式温度探测需要在元器件如热敏电阻表面附着电极，需要探测器件对温度的响应，进而反推出器件所处环境的温度。反复加热过程中会对器件产生一定的损耗，进而影响温度探测的准确性。且由于氧离子导体在应用过程中是处于高温状态，很难利用接触式温度探测器进行探测。而非接触式温度探测如光学温度探测对探测氧离子导体在应用过程中的温度具有一定的优越性。
[0005]光学温度传感器是基于荧光强度比(FIR)技术，即利用稀土离子掺杂的荧光材料作为传感介质，在不直接接触样品的情况下，利用探测器直接探测激发光激发下稀土离子光谱变化，即稀土离子的两个玻尔兹曼热布局的激发态能级发射的两条谱线的荧光强度比随温度的变化，进而进行温度测量。稀土离子中，Er3+由于其2H11/2、4S3/2能级差极小，仅800cm \ 二者能级布局数对外界温度变化极其敏感。而Yb3+能级不仅匹配商用980nm激光器波长，而且敏化Er3+的作用同样显著。因此，常选用980nm激光器激发Yb 3+、Er3+共掺样品，利用FIR技术，非接触性探测样品的温度。
[0006]现有的燃料电池用氧离子导体如Zr02:Ce、Bi 203、LaGaO3等，都还未实现原位温度探测功能。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料，实现了原位探测温度功能，测试的灵敏度较高。
[0008]本发明的另一目的在于提供上述可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料的制备方法，制备工艺简单、成本低，制备过程环保无污染。
[0009]本发明的目的通过以下技术方案实现:
[0010]—种可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料，以La2 x yMo209为基质，以稀土离子Er3+作为激活离子，以Yb 3+为敏化离子，化学组成为La 2 x yMo209:Er 3+x, Yb3+y，其中0.002 ^ X ^ 0.08,0.02 ^ y ^ 0.08。
[0011]所述的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料的制备方法，包括以下步骤:
[0012](I)按化学组成为 La2 x yMo209:Er 3+x，Yb3+y，其中 0.002 彡 x 彡 0.08,0.02 ^ y ^ 0.08中各元素的化学计量比，称取对应的原料:含La化合物、含Mo化合物、含Er化合物、含Yb化合物，混合原料后在玛瑙研钵中研磨均匀，得到前驱体混合物；
[0013](2)前驱体混合物在500 °C?600 °C下进行第一次烧结，将烧结后随炉冷却至室温后，取出研磨；
[0014](3)步骤(2)研磨后的物料在950?1150°C下进行第二次烧结，得到氧离子导体粉末。
[0015]步骤(2)所述第一次烧结，具体为:
[0016]将前驱体混合物置于程序升温箱式电阻炉中，以8°C /min?11°C /min的速度升温至500?600°C，保温8?Ilh。
[0017]步骤(3)所述第二次烧结，具体为:
[0018]将步骤(2)研磨后的物料置于程序升温箱式电阻炉中，以7°C /min?11°C /min的速度升温至900?IlOOcC，保温10?15h。
[0019]所述含La化合物为La2O3;所述含Mo化合物为MoO 3;所述含Er化合物为Er 203;所述含Yb化合物为Yb203。
[0020]所述的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料的制备方法，包括以下步骤:
[0021](I)按化学组成为 La2 x yMo209:Er 3+x，Yb3+y，其中 0.002 彡 x 彡 0.08,
0.02 ^ y ^ 0.08中各元素的化学计量比，称取对应的原料:含La化合物、含Mo化合物、含Er化合物、含Yb化合物，混合原料后在玛瑙研钵中研磨均匀，得到前驱体混合物；
[0022](2)前驱体混合物在500 °C?600 °C下进行第一次烧结，将烧结后随炉冷却至室温后，取出研磨；
[0023](3)在步骤⑵研磨后的物料中添加PVA粘结剂，造粒后模压成片，脱胶后在900?1100°C下进行第二次烧结，得到氧离子导体陶瓷片。
[0024]步骤(2)所述第一次烧结，具体为:
[0025]将前驱体混合物置于程序升温箱式电阻炉中，以8°C /min?11°C /min的速度升温至500?600°C，保温8?Ilh。
[0026]步骤(3)所述第二次烧结，具体为:
[0027]将脱胶后的坯体置于程序升温箱式电阻炉中，以7V /min?11°C /min的速度升温至900?IlOOcC，保温10?15h。
[0028]步骤⑶所述脱胶，具体为:
[0029]将模压得到的陶瓷生坯置于程序升温箱式电阻炉中，以2°C /min?3°C /min的速度升温至150?200°C，保温I?2h ;以1°C /min?2°C /min的速度升温至350?400°C，保温3?4h ;以2°C /min?3°C /min的速度升温至550?600°C，保温I?2h后，随炉冷却到室温。
[0030]所述含La化合物为La2O3;所述含Mo化合物为MoO 3;所述含Er化合物为Er 203;所述含Yb化合物为Yb203。
[0031]与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果:
[0032](I)本发明的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料，以La2 x yMo209为基质，以稀土离子Er3+作为激活离子，以Yb 3+为敏化离子，实现了原位探测温度功能。
[0033](2)本发明的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料，在980nm激光激发下，通过探测该氧离子导体中Er3+的两个绿光峰强度比率，可以直接检测氧离子导体在应用过程中的温度，不需要再借助其他温度探测器；本发明的光学温度探测氧离子导体兼具氧离子导体所需的离子导电性以及光学温度探测性能。可以直接探测基质在应用过程中的温度，进而了解基质在不同温度下离子电导率，可以简单方便地直接了解氧离子导体的工作状态。
【附图说明】
[0034]图1为本发明的实施例1制备的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料的 XRD 图谱和 ICSD-172479La2Mo209标准谱。
[0035]图2为本发明的实施例1制备的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体陶瓷片523K下测得的复阻抗cole-cole图。
[0036]图3本发明的实施例1制备的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体陶瓷片不同温度下测得的复阻抗cole-cole图。
[0037]图4为本发明的实施例1制备的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体陶瓷片在323K下980nm激光激发所得到的发射光谱。
[0038]图5为本发明的实施例1制备的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体陶瓷片不同温度下测得的介电常数随频率变化图。
[0039]图6为本发明的实施例2制备的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体在323K下980nm激光激发所得到的发射光谱。
[0040]图7为本发明的实施例2制备的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体在523K下980nm激光激发所得到的发射光谱。
[0041]图8为本发明的实施例2制备的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料在不同温度下，对980nm激光激发所得到的发射光谱在548nm绿光发射峰归一化后所得到的归一化发射光谱。
[0042]图9为本发明的实施例2制备的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料在不同温度下，对980nm激光激发所得到的上转换发射光谱的525nm和548nm绿光发射的积分强度比对数与温度倒数的关系图。
[0043]图10为本发明的实施例2制备的可原位探测温度的燃料电池用的氧离子导体材料在不同温度下，对980nm激光激发所得到的上转换发射光谱的525nm和548nm绿光发射的积分强度比与温度的关系图。
【具体实施方式】
[0044]下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0045]实施例1
[0046]准确称取1.0833g La2O3^l.0076g Μο03、0.0268g Er203、0.0414g Yb2O3,混合上述原料后在玛瑙研钵中研磨均匀，得到前驱体混合物。将前驱体混合物置于程序升温箱式电阻炉中，以8°C /min的速度升温至600°C，保温8h，随炉冷却至室温后，取出再次研磨；在所得粉末中添加PVA粘结剂，后在研钵中研磨使粘结剂与样品混合均匀，直至成为干燥的均匀粉状物质。后模压成片，进行脱胶:将陶瓷片置于程序升温箱式电阻炉中，以2°C /min的速度升温至150°C，保温Ih ;以10C /min的速度升温至350°C，保温3h ;以