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基本信息

項(xiàng)目名稱(chēng)：
CaO摻雜Bi2O3基電解質(zhì)材料的改性研究
小類(lèi)：
能源化工
簡(jiǎn)介：
本文采用固相合成法合成了(Bi2O3)0.75(CaO)0.25氧離子導(dǎo)體陶瓷樣品，對(duì)其進(jìn)行了XRD、SEM表征，用交流阻抗譜等方法以及Matlab、SPSS等軟件分析了樣品在500~700℃下的離子導(dǎo)電性，同時(shí)建立了數(shù)學(xué)模型加以理論論證推導(dǎo)。實(shí)際檢驗(yàn)證明，理論推導(dǎo)與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果完全吻合。
詳細(xì)介紹：
本文采用固相合成法合成了(Bi2O3)0.75(CaO）0.25氧離子導(dǎo)體陶瓷樣品，對(duì)其進(jìn)行了XRD、SEM表征，用交流阻抗譜等方法以及Matlab、SPSS等軟件分析了樣品在500~700℃下的離子導(dǎo)電性，結(jié)果表明：①常溫下的摻雜電解質(zhì)具有面心立方相δ-Bi2O3，摻雜25%的CaO能有效抑制Bi2O3的相變，使高溫相保留到常溫。②在所有燒結(jié)溫度中，750℃燒結(jié)樣品的致密性高、氣孔率小、成分分布均勻。③在730-800℃范圍內(nèi)，當(dāng)樣品的燒結(jié)溫度為750℃，且測(cè)試溫度為700℃時(shí)，具有最佳的電學(xué)性能，電導(dǎo)率為0.16S/m。其活化能為79.03kJ/mol 。

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  • CaO摻雜Bi2O3基電解質(zhì)材料的改性研究

作品專(zhuān)業(yè)信息

撰寫(xiě)目的和基本思路

固體氧化物燃料電池被認(rèn)為是最有效的高效能源替代方式之一，其實(shí)用化的主要障礙是操作溫度高。而B(niǎo)i2O3基電解質(zhì)是中低溫下離子電導(dǎo)率最高的氧離子導(dǎo)體，但Bi2O3低溫極易相變，導(dǎo)致電導(dǎo)率急劇下降，從而限制了其在固體氧化物燃料電池中的應(yīng)用。因此我們擬通過(guò)摻雜CaO來(lái)對(duì)氧化鉍進(jìn)行改性，通過(guò)XRD、SEM、EIS等方法探究其在不同燒結(jié)溫度及工作溫度下的離子導(dǎo)電性，從而達(dá)到抑制相變，改善其電學(xué)性能的目的。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

科學(xué)性、先進(jìn)性：研究表明摻雜離子半徑與主體離子半徑越接近越易進(jìn)入母體晶格，而B(niǎo)i3+與Ca2+半徑近似相等，同時(shí)Ca2+摻雜尚未見(jiàn)報(bào)道，且相比稀土元素?fù)诫s可大大降低成本。獨(dú)特之處：（1）采用與Bi3+半徑接近的Ca2+進(jìn)行摻雜改性，其極有利于形成固溶體。（2）采用電化學(xué)阻抗法與數(shù)學(xué)建模等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)論可靠性。（3）改性后的Bi2O3基電解質(zhì)材料的穩(wěn)定操作溫度降低到500℃。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

（1）將氧化鉍基電解質(zhì)材料的穩(wěn)定工作溫度降低到了500℃，這樣可以選用較廉價(jià)材料，提高電池穩(wěn)定性，延長(zhǎng)電池壽命。尤其是當(dāng)溫度降低至4 O O～ 5 0 0 ℃時(shí)，電池的快速啟動(dòng)問(wèn)題也易解決，從而使 S O F C用于電動(dòng)汽車(chē)成為可能 。 (2)為固體電解質(zhì)的研究提供了科學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和可靠的數(shù)據(jù)分析方法。

學(xué)術(shù)論文摘要

本文采用固相合成法合成了(Bi2O3)0.75(CaO)0.25氧離子導(dǎo)體陶瓷樣品，對(duì)其進(jìn)行了XRD、SEM表征，用交流阻抗譜等方法以及Matlab、SPSS等軟件分析了樣品在500~700℃下的離子導(dǎo)電性，同時(shí)建立了數(shù)學(xué)模型加以理論推導(dǎo)論證。結(jié)果表明：①常溫下的摻雜電解質(zhì)具有面心立方相δ-Bi2O3，摻雜25%的CaO能有效抑制Bi2O3的相變，使高溫相保留到常溫。②在所有燒結(jié)溫度中，750℃燒結(jié)樣品的致密性高、氣孔率小、成分分布均勻。③在730-800℃范圍內(nèi)，當(dāng)樣品的燒結(jié)溫度為750℃，且測(cè)試溫度為700℃時(shí)，具有最佳的電學(xué)性能，電導(dǎo)率為0.16S/m。其活化能為79.03kJ/mol 。

獲獎(jiǎng)情況

本作品于2011年5月在北方民族大學(xué)校級(jí)課外科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)；于2011年6月參與寧夏大學(xué)生創(chuàng)新論壇參展并作報(bào)告；于2011年6月月獲得寧夏自治區(qū)挑戰(zhàn)杯大學(xué)生科技競(jìng)賽作品前3名（具體名次還未知）。

鑒定結(jié)果

該論文結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)外能源研究熱點(diǎn)，在極少數(shù)國(guó)內(nèi)外理論研究的基礎(chǔ)上創(chuàng)新性的選擇摻雜體系（CaO-Bi2O3），同時(shí)運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的方法對(duì)其進(jìn)行理論推導(dǎo)論證，并建立了新的模型。值得推薦。情況屬實(shí)。

參考文獻(xiàn)

阿倫.J.巴德，拉里.R.?？思{. 邵元華，朱果逸等譯.電化學(xué)方法原理和應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010. Takahashi T,Iawajara H.Energy Convers[J],1971,11:105 向軍，王曉輝等.新型LaAlO3基混合導(dǎo)體的制備和導(dǎo)電性能[J].稀有金屬材料工程，2007，36（3）：286-290. 王振華.管式固體氧化物燃料電池陽(yáng)極/電解質(zhì)的制備與性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué). Enoki M,Yan J,Matsumoto H et al.Solid State lonics[J],2006,177:2053 鄭勇等.固體氧化物燃料電池電解質(zhì)和電極材料的研究發(fā)展[J].金屬功能材料，2010,17（4）：75-80.

同類(lèi)課題研究水平概述

由于δ-Bi2O3只能在較窄的溫度范圍內(nèi)存在(730～825℃),要獲得廣泛的實(shí)際應(yīng)用 ,必須保證δ-Bi2O3 在寬溫度范圍內(nèi)的穩(wěn)定性,研究結(jié)果表明在Bi2O3中摻雜一些二價(jià)、三價(jià)、五價(jià)的金屬氧化物可使δ-Bi2O3在室溫至800℃ 穩(wěn)定存在，但也降低了材料的離子導(dǎo)電率。為了充分發(fā)揮氧化鉍材料高離子導(dǎo)電率的特性 ,許多研究人員開(kāi)展了大量的工作。G.A.Tompsett等人對(duì)Bi23V4O44.5和Bi23P4O44.5以及7(Bi2O3 )-2(WO3 )、3(Bi2O3)(WO3)進(jìn)行了研究 ,發(fā)現(xiàn)Bi2V4O44.5在600℃ 時(shí)離子電導(dǎo)率達(dá)到 0.01S.cm-1。澳大利亞的G.Fafilek重點(diǎn)對(duì)Bi4V2O11系進(jìn)行了研究,并以一些金屬離子替代釩的位置 ,如形成Bi2V0.9Cu0.1O5.35,其離子電導(dǎo)率比 YSZ高2個(gè)數(shù)量級(jí)。(Bi2O3)0.18(Er2O3)0.12的電導(dǎo)性也較好,其在700℃的離子電導(dǎo)率可達(dá)0.14S/cm。新西蘭的學(xué)者認(rèn)為(Bi1-xSbx)8Pb5O17(x=0～013)系有作為中溫電解質(zhì)材料的可能。中國(guó)科技大學(xué)的研究人員對(duì) Bi2SrxAl4O9 (x=0～0.4)系進(jìn)行了細(xì)致研究,發(fā)現(xiàn)x=0.1時(shí)Bi1.8Sr0.2Al4O9的離子電導(dǎo)率達(dá)到最大值 ,在700℃和 800℃時(shí)分別達(dá)到0.08S.cm-1和0.28S.cm-1 ,在電解質(zhì)材料應(yīng)用上表現(xiàn)出非常好的前景。
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