Sm(Pr)掺杂LaGaO3基电解质的合成及其电学性质研究

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1、硕士学位论文Sm(Pr)掺杂LaGaO3基电解质的合成及其电学性质研究THESYNTHESISANDELECTRICALPROPERTIESOFSm(Pr)DOPEDLaGaO3-BASEDELECTROLYTE李静哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TM911.4学校代码：10213国际图书分类号：541.136密级：公开理学硕士学位论文Sm(Pr)掺杂LaGaO3基电解质的合成及其电学性质研究硕士研究生：李静导师：刘志国教授申请学位：理学硕士学科：凝聚态物理所在单位：物理系答辩日期：201

2、5年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM911.4U.D.C:541.136DissertationfortheMasterDegreeinScienceTHESYNTHESISANDELECTRICALPROPERTIESOFSm(Pr)DOPEDLaGaO3-BASEDELECTROLYTECandidate：LiJingSupervisor：Prof.LiuZhiguoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofScienceSpeciali

3、ty：CondensedMatterPhysicsAffiliation：DepartmentofPhysicsDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学理学硕士学位论文摘要在能源和环境矛盾尖锐的时候，固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种能量综合利用率高、燃料适用范围广、成本低的全固态装置的电池，受到了重视，其研究也得到了蓬勃发展。LaGaO3基固体电解质（LSGM）具

4、有较高的离子电导率，在高温氧化和还原气氛中的化学稳定性好，被认为是具有很大发展潜力的固体电解质材料。然而，其导电活化能较高，不适合中低温使用；并且LSGM很难合成纯相，会降低其综合性能。实验表明，在LaGaO3中La位掺杂Sm、Pr等小半径稀土离子，可提高正交—菱方相变温度；当掺30%的Sm的时，其结构接近立方相，这种高对称性结构有利于离子传导；A位离子半径的适当减小可降低其导电活化能。因此，在LaGaO3基中掺Sm与Pr可提高其在中低温下的离子导电性能。利用传统的固相法制备了Sm掺杂的LSGM。当S

5、m的掺杂量增多时，XRD谱中主峰的峰位向高角度方向移动；且没有发现原料物质的峰，说明了Sm3+进入了LaGaO3晶格。不同材料体系具有不同的烧结条件，其中在1400°C、保温12h条件下得到的La0.85Sm0.05Sr0.1Ga0.85Mg0.15O3样品导电活化能是最低的，为78.80kJ/mol，氧离子迁移的晶格势垒为60.67kJ/mol；其电导率在800°C为3.2×10-2S/cm，在700°C达到1.5×10-2S/cm。在1400°C、保温4h条件得到的La-20.8Sm0.1Sr0.

6、1Ga0.83Mg0.17O3电导率是最高的，800°C时的电导率为3.8×10S/cm，700°C时的电导率为1.6×10-2S/cm，导电活化能为83.17kJ/mol。为了克服固相反应法中产生杂相的问题，利用高温高压法来制备电解质材料。高压法制备样品的杂相含量明显少于固相法的样品，并且其制备周期短，烧结温度低，表明高温高压法能够高效地制备出比较纯的样品。由于高压下LSGM经历正交—菱方相变、样品中存在应力等因素的影响，高温高压法制备样品的电导率要比固相法的样品低。掺Sm可以降低LSGM样品的活化

7、能，其中La0.75Sm0.15Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3的活化能为51.43kJ/mol，明显低于未掺杂的La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3样品（105.45kJ/mol）。介电弛豫的损耗峰和氧离子在晶格中的迁移过程有关，不同过程对应不同损耗峰。高压法制备样品的介电损耗峰的峰值明显小于固相法的样品，这也说明高压法制备样品中晶粒碎裂阻碍了氧离子的迁移过程，导致其电导率下降。利用高压高温方法成功制备了Pr掺杂LaGa0.9Mg0.1O3电解质。该系列样品具-I-哈尔滨工业大学理学硕士学

8、位论文有正交结构，空间群为Pbnm。精修结果表明，氧离子通道瓶颈空隙越大，势垒厚度越小，导电活化能越低，且导电活化能与势垒厚度之间呈线性关系。样品La0.3Pr0.7Ga0.9Mg0.1O3的导电活化能最小，为45.73kJ/mol，更适合中低温应用。关键词：LSGM；电导率；介电弛豫；导电活化能；Sm掺杂-II-哈尔滨工业大学理学硕士学位论文AbstractWhenenergysourceandenvironmentareincontradiction