一类稀土氧化物基高熵氧离子导体材料及其制备方法

本发明属于无机材料与固体化学领域，具体涉及一类稀土氧化物基高熵氧离子导体材料及其制备方法，这一类材料为(dyxerxybxluxme1-x)2o3-δ (me=zr4+、mg2+、ca2+、ba2+)。

背景技术：

1、固态氧化物燃料电池(sofcs)是一种高效的化学能转化为电能的清洁能源装置，具备全固态结构、燃料多样性等优点。常规的固体氧化物燃料电池是由阴极、电解质及阳极组成，通常要求工作温度为800 ℃以上以提高电解质中的导电性和阴极中的催化活性，但是，在高温下，不同组分之间会发生相互反应，形成第二相，导致阻抗会随着时间而增加，这会导致固体燃料电池的长期电化学稳定性变差。近年来, 高熵设计理念逐渐拓展到陶瓷研究领域，2015年，基于高熵概念诞生的高熵氧化物(high-entropy oxides, heos)，以其热力学上的高熵效应、动力学上的缓慢扩散效应、结构上的晶格畸变效应及性能上的鸡尾酒效应, 展现出许多传统材料无法比拟的优异性能，如高强度、高硬度、耐腐蚀性、高氧化活性、优异的稳定性及良好的电磁性能等，有望成为解决目前工程领域材料性能瓶颈问题的关键之一。因此，可以通过增加体系的组分种类以及调节各组分之间的相对比例来提高体系的构型熵，形成具有稳定性优异的高熵氧离子导体，用于高温下工作的固态氧化物燃料电池电解质。本工作基于ln2o3基体，申请提出一类新型高熵氧离子导体材料(dyxerxybxluxme1-x)2o3-δ (me=zr4+、mg2+、ca2+、ba2+)陶瓷及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一类新型高熵氧离子导体材料 (dyxerxybxluxme1-x)2o3-δ (me=zr4+、mg2+、ca2+、ba2+)陶瓷及其制备方法。制备(dyxerxybxluxme1-x)2o3-δ (me=zr4+、mg2+、ca2+、ba2+)材料的具体步骤为：

2、（1）将纯度为99 %（质量百分比）以上的dy2o3、er2o3、yb2o3、lu2o3、zro2、mgo、caco3以及baco3原料按照(dy0.2er0.2yb0.2lu0.2zr0.2)2o3.2、(dy0.2375er0.2375yb0.2375lu0.2375mg0.05)2o2.95、(dy0.2375er0.2375yb0.2375lu0.2375ca0.05)2o2.95、(dy0.225er0.225yb0.225lu0.225ba0.1)2o2.9化学计量比组成称量配料；一般将按制得4 g的产物进行准备，将称好的原料放置于研钵中，加适量的无水乙醇，反复研磨一个小时以上，在红外灯下烘干；

3、（2）将烘干后的粉末分别称取4 g左右用φ 20模具压片，放入高温烧结马弗炉中，在1300 °c下预烧12小时。再研磨后，称取0.5g左右用φ 10模具压片，在 1600 °c下烧制12小时，样品以大约5 ℃/min的速度升温和降温，得到致密的陶瓷片。

4、（3）将步骤（2）制得陶瓷片砸碎，然后通过xrd、sem-eds测试得到单一物相，通过在800 ℃和过水co2气氛下分别保温24 小时、48小时测试得到热稳定性和化学稳定性优异，通过eis测试得出材料的电学性能良好。

5、本发明制备的氧离子导体材料成本低廉，热稳定性和化学稳定性优异，电学性能良好，名义组成为(dyxerxybxluxme1-x)2o3-δ (me=zr4+、mg2+、ca2+、ba2+)，作为新型高熵电解质材料具有一定的潜力。

技术特征：

1.一类新型高熵氧离子导体材料 (dyxerxybxluxme1-x)2o3-δ (me=zr4+、mg2+、ca2+、ba2+)陶瓷及其制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：

2.一类如权利要求1所述的高熵氧离子导体材料 (dyxerxybxluxme1-x)2o3-δ (me=zr4+、mg2+、ca2+、ba2+)陶瓷及其制备方法，其特征在于，以ln2o3为基底，利用dy、er、yb和lu共四种镧系元素与zr、mg、ca、ba中任意一元素共掺，形成单一稳定物相。

3.一类如权利要求1所述的高熵氧离子导体材料 (dyxerxybxluxme1-x)2o3-δ (me=zr4+、mg2+、ca2+、ba2+)陶瓷及其制备方法，其特征在于，以ln2o3为基底，利用dy、er、yb和lu共四种镧系元素与zr、mg、ca、ba中任意一元素共掺，以不同比例形成单一稳定化合物，经计算为高熵氧化物。

4.一类如权利要求1所述的高熵氧离子导体材料 (dyxerxybxluxme1-x)2o3-δ (me=zr4+、mg2+、ca2+、ba2+)陶瓷及其制备方法，其特征在于，制备过程分两步烧结，两步分别是在马弗炉中烧结1300℃-12h、1600℃-12h。

技术总结
本发明公开了一类稀土氧化物基高熵氧离子导体材料及其制备方法，具体材料为(Dy<subgt;x</subgt;Er<subgt;x</subgt;Yb<subgt;x</subgt;Lu<subgt;x</subgt;Me<subgt;1‑x</subgt;)<subgt;2</subgt;O<subgt;3‑δ</subgt;(Me=Zr<supgt;4+</supgt;、Mg<supgt;2+</supgt;、Ca<supgt;2+</supgt;、Ba<supgt;2+</supgt;)。（1）将纯度为99%（质量百分比）以上的Dy<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、Er<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、Yb<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、Lu<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、ZrO<subgt;2</subgt;、MgO、CaCO<subgt;3</subgt;以及BaCO<subgt;3</subgt;原料按照化学式计量比组成称量配料，使用研钵反复研磨得到混合物；（2）将混合物压片，放入高温烧结马弗炉中，在1300°C下预烧12小时。再研磨后，在1600°C下烧制12小时，得到致密的陶瓷片。（3）用研钵将步骤（2）制得陶瓷片砸碎并研磨，通过XRD、SEM‑EDS测试其物相为纯相，在800℃和过水CO<subgt;2</subgt;气氛下分别保温24 h、48 h测试得出热稳定性和化学稳定性优异，其中掺Ca化合物，在900℃时，导电率大于10<supgt;‑3 </supgt;S/cm。本发明制备的氧离子导体材料制备过程简单，热稳定性和化学稳定性均优异，导电性能良好。

技术研发人员：徐军古,田曼
受保护的技术使用者：桂林理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16