PDF《刘华艳 范悦 康振锋 许彦彬 薄青瑞 丁铁柱》

(Ce0.

8Sm0.2O2?δ/Y2O3:ZrO2)N 超晶格电解质薄膜的制备及表征 刘华艳 范悦 康振锋 许彦彬 薄青瑞 丁铁柱 Preparation and characterization of the superlattice (Sm-doped ceria/yttria-stabilized zirconia)N elec- trolyte film Liu Hua-Yan Fan Yue Kang Zhen-Feng Xu Yan-Bin Bo Qing-Rui Ding Tie-Zhu 引用信息 Citation: Acta Physica Sinica, 64,

236801 (2015) DOI: 10.7498/aps.64.236801 在线阅读View online: http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.236801 当期内容View table of contents: http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/Y2015/V64/I23 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 晶体相场法研究应力状态及晶体取向对微裂纹尖端扩展行为的影响 Study on the effect of stress state and crystal orientation on micro-crack tip propagation behavior in phase field crystal method 物理学报.2015, 64(17):

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186801 http://dx.doi.org/10.7498/aps.61.186801 物理学报Acta Phys. Sin. Vol. 64, No.

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236801 (Ce0.8Sm0.2O2?δ/Y2O3:ZrO2)N 超晶格电解质 薄膜的制备及表征? 刘华艳 范悦 康振锋 许彦彬 薄青瑞 丁铁柱? (内蒙古大学物理科学与技术学院, 呼和浩特 010021) (

2015 年7月28 日收到;

2015 年10 月15 日收到修改稿 ) 采用脉冲激光沉积技术 (PLD), 在MgO 单晶基底上, 依次沉积氧化钐掺杂的氧化铈 (Ce0.8Sm0.2O2?δ, SDC) 和钇稳定氧化锆 (8 mol%Y2O3:ZrO2, YSZ) 制备了五种 (SDC/YSZ)N (N = 3, 5, 10, 20, 30) 超晶格电 解质薄膜. 利用 X 射线衍射 (XRD)、 高分辨透射电子显微镜 (HR-TEM) 和交流阻抗对其形貌、 相结构和电学 性能进行了表征. 结果显示, (SDC/YSZ)N 超晶格电解质薄膜之间形成了明显的界面和较好的超晶格结构;

薄膜表面颗粒生长均匀、 致密、 平滑, 在薄膜的界面处没有元素相互扩散也未出现裂纹, 外延生长良好;

电导率 随着 (SDC/YSZ)N 超晶格电解质界面数的增加而增加, 而活化能则随之减少, 是较为理想的低温固体氧化物 燃料电池电解质. 关键词: 固体氧化物燃料电池, 超晶格电解质薄膜, 界面, 双分子层 PACS: 68.35.Cp, 81.07.Cb, 81.15.Cz DOI: 10.7498/aps.64.236801

1 引言固体氧化物燃料电池(SOFC)是将化学能直接 转化为电能的优质能源. SOFC具有能量转换效率 较高, 零污染, 全固态, 寿命长等特点, 使其得到广 泛的开发和应用 [1] . 传统的钇稳定氧化锆 (YSZ), 化学性质稳定, 是一种比较常见的氧离子导体. 通过掺杂 Y, 三 价的 Y3+ 取代四价的 Zr4+ , 从而产生较多的氧空 位, 使YSZ 在较大的氧分压范围内, 具有高的离子 电导率以及可以忽略的电子电导, 因此其被广泛 应用于 SOFC. 但是 YSZ 作为电解质时, 燃料电池 的工作温度需达到 1000? C 左右, 才能有较好的性 能[2] , 限制了燃料电池的推广, 因此需要开发低温 下离子电导率较高的新型电解质材料. 如果将电 池的工作温度降至 600―800 ? C(所谓中温), 或者 更低温度 300―500 ? C(低温), 或者室温, 就可避免 电池组件间的相互作用及电极的烧结退化, 电池寿 命也可望延长几十倍, 可以大大提高电池的效率 和降低生产成本. 掺杂三价或四价阳离子的 CeO2 具有萤石结构, 是较为理想的低温 SOFC电解质材 料[3] . Yahiro 等[4] 和Steele 等[5] 通过研究掺杂碱 土金属氧化物和稀土氧化物对 CeO2 电导率的影 响, 发现掺杂 Sm2O3 的CeO2(SDC) 具有较高电导 率, 在800 ? C以下, 其电导率比YSZ高几倍到一个 数量级 [6] . CeO2 基电解质材料在还原气氛或较低 氧分压条件下, 释放出氧气, 产生大量的氧空位, 从 而形成更多的氧离子通道, 而且在高温下铈离子容 易由四价 (Ce4+ ) 变为三价 (Ce3+ ) 使其电子电导增 大, 从而导致电池内部短路, 电池性能急剧衰减, 电 池的开路电压降低, 电池的功率输出减小 [7] . YSZ 和SDC 都属于立方萤石结构, 且晶格参 数相差不大, 有着兼容的晶体特性和氧离子电导 率, 同时由于 YSZ 是纯氧离子导体, 通过结合纯离 子电导率的 YSZ 和离子电子混合电导的 SDC 形成 ? 国家自然科学基金 (批准号: 11264025) 资助的课题. ? 通信作者. E-mail: [email protected] ?