一种含铋氧化物低温烧结8YSZ电解质的制备方法及应用

本发明涉及无机材料，特别涉及一种降低氧离子传导电解质氧化钇稳定的氧化锆(y2o3)0.08(zro2)0.92(8ysz)烧结温度的方法和应用。

背景技术：

1、作为第三代燃料电池，固体氧化物燃料电池(sofc)近年来受到了广泛的关注和研究，是一种高效，清洁的能源转换装置。sofc由多孔的阴极/阳极和致密的电解质层组成，其中电解质层的作用是传导氧离子和隔绝阴/阳极的气体，是sofc中的重要组成，在一定程度上决定着sofc的输出功率与长期稳定性。sofc电解质材料的要求包括：(i)高的离子电导率和低的电子电导率；(ii)高的机械强度；(iii)在多种气氛下的高稳定性；(iiii)成本低且易于制备。为了促进sofc的商业化，常见的电解质材料包括lagao3基电解质和ceo2基和bi2o3基电解质。lagao3基电解质具有高离子电导，低电子电导的优点，目前有着广泛的实验室应用，然而其成本过高，不适用于商业化；ceo2基电解质具有更高的离子电导率，但是其在还原性气氛下稳定性不足且由于ce4+的还原而具有过高的电子电导，降低了能量转换效率，也较少在商业化应用中出现；bi2o3基电解质和ceo2基电解质相似，具有高电导率的优点，但是其熔点过低(～875℃)，不利于单电池制备，且还原性气氛下的稳定性不足。

2、在商业化的sofc中，8mol％氧化钇稳定的氧化锆(8ysz)是最常使用的电解质材料，它是基于zro2，通过低量的y掺杂将zro2的结构稳定在立方萤石结构，具有较高的稳定性、较低的电子电导率与较高的机械强度，且zro2的成本显著低于lagao3基和ceo2基。然而，根据文献densification behavior of yttria-stabilized zirconia powders forsolid oxide fuel cell electrolytes(d.panthi,n.hedayat,y.du.journal ofadvanced ceramics 7(2018)325-335)的报道，8ysz电解质的商业化应用仍然面临着诸多问题，如较高的致密化温度(～1400℃)带来的高成本，高温下发生由晶体结构变化引起的电导率衰减；为了解决8ysz的这些缺点，研究人员主要集中在通过改变粉体制备工艺、添加烧结助剂的方式降低其烧结温度。如通过共沉淀法制备烧结活性更高的粉体，或添加过渡金属氧化物(如nio,fe2o3,cuo)作为助烧剂降低其致密化温度。根据文献cubic yttriastabilized zirconia sintering additive impacts:a comparative study(a.flegler,t.burye,q.yang,j.nicholas.ceramics international 40(2014)16323–16335)的报道，降低8ysz烧结温度最有效的添加剂依次为ni、zn、mn、co、li、fe和bi及其氧化物。y0.5bi1.5o3(ydb)也是一种氧离子电解质材料，其熔点较低，能够与ysz固溶并进行液相辅助烧结降低电解质的烧结温度。并且，bi元素廉价易得，助烧剂的制备和添加方式简单，可以显著降低固体氧化物燃料电池的商业化成本，具有良好的应用潜力。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供含铋氧化物助烧结剂的制备方法，并降低氧离子传导电解质(y2o3)0.08(zro2)0.92(8ysz)的致密化温度。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提供了含铋氧化物助烧结剂的制备方法，所述的制备方法包括将六水硝酸钇，五水硝酸铋原料按照摩尔比y(no3)3·6h2o：bi(no3)3·5h2o＝1:3的比例称取原料，溶解于去离子水中，使得金属离子的浓度为0.1mol/l。

4、将上述溶液逐滴加入浓度为0.1mol/l的碳酸铵沉淀剂溶液中，沉淀剂总摩尔量与所述反应原料中总的金属离子摩尔量的比例为2.5，搅拌，直至溶液全部滴入沉淀剂溶液中；将混合液静置进行老化4小时。

5、在老化处理完成后，对产物进行离心处理，采用5000rpm的转速，离心5min；向离心得到的固体中加入去离子水，进行水洗、离心，重复三次；随后将水洗过的固体中加入无水乙醇，进行醇洗涤、离心，重复三次。

6、将上述洗涤、离心步骤得到的粉体在80℃烘干48小时，将烘干得到的粉体置于玛瑙研钵中研磨，得到ydb前驱体粉体。

7、将上述方法得到的ydb粉体按照ydb相比于8ysz的摩尔含量为x％加入到8ysz中。

8、优选地，1.5≤x≤10。

9、向混磨均匀后的电解质粉体中加入浓度为3wt％的聚乙烯醇(pva)水溶液进行粉体造粒，所加pva绝对量为电解质粉体质量的1％；采用干压法将电解质材料进行压制，压力为300mpa，保压时间为1分钟，随后高温烧结。

10、在本发明中，所述高温烧结温度为1000～1200℃，更优选为1200℃，烧结时间为5小时，升温速率为3℃/min。

11、本发明提供了一种低致密化温度的氧离子传导电解质在sofc电解质材料中的应用，基于本发明提供的电解质材料，可以得到具有低烧结温度，低成本，高稳定性的sofc。

12、与现有技术相比，本发明提供的制备方法中，通过在母体8ysz中引入低熔点，高电导率的ydb，构成新的名义组分为x％ydb-8ysz(x＝1.5,3,5,10mol)的混合物；而且，上述ydb的引入对于8ysz的致密化温度和晶界电导率调控具有积极意义，降低了材料的致密化温度，提高了烧结致密度，提高了晶界电导率，使所得氧离子传导电解质具有高稳定性率和低致密化温度，能够作为电解质层在sofc方面的研究具有重要价值。

13、实验结果表明：本发明提供的10％ydb-ysz氧离子传导电解质在烧结过程中的线收缩率为38.3％，电解质在1200℃烧结5h后，在800℃时，总离子电导率为2.36×10-2s/cm；

14、700℃时，总离子电导率为9.14×10-3s/cm；

15、600℃时，总离子电导率为2.21×10-3s/cm；

16、500℃时，总离子电导率为2.51×10-4s/cm；

17、400℃时，总离子电导率为1.26×10-5s/cm；

18、300℃时，总离子电导率为2.34×10-7s/cm；

19、400℃时，晶界电导率为2.26×10-5s/cm；

20、本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式中予以详细说明。

技术特征：

1.一种含铋氧化物低温烧结氧化钇稳定的氧化锆8ysz电解质的制备方法，其特征在于：

2.如权利要求1所述制备方法所得到的电解质在固体氧化物燃料电池中的应用。

技术总结
一种含铋氧化物低温烧结8YSZ电解质的制备方法及应用涉及无机材料技术领域。包括将反应原料与溶剂混合以得到混合溶液；接着将所述混合液中逐滴加入沉淀剂溶液，通过共沉淀法以得到Y0.5Bi1.5O3(YDB)粉体前驱体；再对所述共沉淀粉体与8YSZ粉体混合研磨和烧结，以降低电解质的烧结温度；通过调节YDB含量，获得致密电解质陶瓷块体；其中，所述反应原料包括钇源化合物、铋源化合物，所述沉淀剂为碳酸铵；少量YDB的加入降低了8YSZ的致密化温度，提高了致密度和晶界电导。本发明中Bi元素廉价易得，该氧离子传导电解质制备简单，致密化温度低，可以显著降低固体氧化物燃料电池的商业化成本，具有良好的应用潜力。

技术研发人员：夏长荣,张丽洁
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15