YSZ/YSZ-NiO電解質(zhì)薄膜在低溫條件下的電學(xué)特性研究

2016-01-02 康振鋒內(nèi)蒙古大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

　　采用脈沖激光沉積(PLD)法，在多孔支撐的NiO-YSZ 陽極基底上制備YSZ電解質(zhì)薄膜。利用XRD、SEM和射頻阻抗/ 材料分析儀對多層膜的物相結(jié)構(gòu)、表面形貌以及電學(xué)特性等進(jìn)行表征。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，YSZ 電解質(zhì)薄膜在300-500℃之間，其電導(dǎo)活化能最小值為0.86eV，電導(dǎo)率可達(dá)到7.96×10^-5 s/cm。

　　固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效清潔的能源轉(zhuǎn)化裝置，由于其高效、低污染等諸多方面的優(yōu)點正日益受到廣泛重視。決定SOFC 性能的最主要因素是電解質(zhì)材料離子電導(dǎo)率的大小，目前在SOFC 中應(yīng)用最普遍和最成功的是釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)電解質(zhì)。YSZ 在高溫下(≥900℃)具有良好的離子電導(dǎo)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，因此SOFC 須在高溫(900-1000℃)下運行。如此高的工作溫度，導(dǎo)致電極材料的選擇范圍受到了限制，并且大大降低了SOFC 的使用壽命和電池材料長期運行的穩(wěn)定性。如果將電池的工作溫度降至600-800℃(所謂中溫)，或者300-500℃(低溫)，甚至室溫，就可避免電池組件間的相互作用及電極的燒結(jié)退化，延長電池壽命，提高電池的效率和降低生產(chǎn)成本。尋找在較低溫度下具有足夠高的離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)是目前SOFC 領(lǐng)域研究的重要課題。

　　近年來，研究的主要方向是采用薄膜技術(shù)來降低SOFC 的電解質(zhì)的工作溫度，在500-700℃的中溫范圍內(nèi)有較大的成果。電解質(zhì)的薄膜化也能最大限度地減少歐姆損耗和降低燃料電池的工作溫度。Bailly 等人通過靜電噴涂沉積法獲得的500nm 厚的YSZ 薄膜電解質(zhì)，其電導(dǎo)率低于體材料的電導(dǎo)率，Garbayo 等人研究了YSZ 薄膜電解質(zhì)與無支撐結(jié)構(gòu)的YSZ 厚膜相比，其電導(dǎo)率增加了一個數(shù)量級。

　　本文中，在多孔的NiO-YSZ 陽極支撐襯底上制備厚度為600nm-1μm 的YSZ 電解質(zhì)薄膜，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為這是一種盡可能實現(xiàn)固體氧化物燃料電池在低溫(300℃-500℃) 條件下工作的導(dǎo)電薄膜模型。發(fā)現(xiàn)在300℃-500℃低溫范圍內(nèi)，YSZ 薄膜具有相對較大的電導(dǎo)率。

1、實驗

　　將NiO 粉末，YSZ 粉末和淀粉按照5:5:2 wt.%的比例混合，用球磨機研磨48h 后，利用研缽手磨2h，使三種粉末混合均勻。稱取若干份納米尺寸的粉末，每份0.25g，置于直徑為13mm 的磨具中，利用粉末壓片機在481 MPa 的表觀壓強下壓制成直徑為10mm，厚度為0.5mm 的圓片。圓片在1400 ℃的高溫爐中燒結(jié)4h 使其致密化，升降溫速率為3℃/min。這樣得到綠色的NiO–YSZ 陽極支撐。

　　采用中科院沈陽科學(xué)儀器廠生產(chǎn)的PLD-450型脈沖激光濺射儀，腔室內(nèi)裝有四個獨立靶位，激光器為美國相干公司(Coherent Inc.) 生產(chǎn)的COMPexPro201 型脈沖準(zhǔn)分子激光器，濺射靶材采用高純YSZ 靶材(純度99.999%)。將YSZ 靶材和NiO–YSZ 陽極襯底固定在相應(yīng)的樣品架上，襯底和YSZ 靶材的距離為5cm，襯底溫度設(shè)定在300-600℃，氧分壓設(shè)定為5Pa，激光器工作模式為恒壓26kV，激光能量在650-690mJ，頻率為10Hz，通過調(diào)節(jié)激光的能量以及脈沖次數(shù)來控制薄膜的厚度至600nm-1μm。為討論問題方便起見，分別將不同沉積溫度的樣品編號如表1。

表1 不同沉積溫度的樣品編號

不同沉積溫度的樣品編號