掺杂对CeO2基电解质材料性能的影响研究进展

doi:10.11962/1006-4990.2019-0388

无机盐工业 ›› 2020, Vol. 52 ›› Issue (5): 1-5.doi: 10.11962/1006-4990.2019-0388

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掺杂对CeO₂基电解质材料性能的影响研究进展

张洁^1,^2,³,赵梦杰¹,崔颍琦¹,李成刚¹,高金海¹

1.郑州师范学院物理与电子工程学院,河南郑州 450044;
2.郑州大学物理工程学院;
3.郑州威科姆科技股份有限公司

收稿日期:2019-11-21 出版日期:2020-05-10 发布日期:2020-05-21
作者简介:张洁（1976— ）,女,博士,讲师,主要研究方向为固体氧化物燃料电池;E-mail：jiezhang76@126.com。
基金资助:
2017年河南省科技计划项目(172102210115);2018年河南省科技计划项目(182102210140);2018年河南省重点研发与推广专项(182102210564);河南省高校科技创新人才计划(18HASTIT030);郑州市地方高校市级大学生创新创业训练计划项目(ZDC2018002);郑州师范学院科技创新团队支持计划;郑州师范学院大学生创新性实验计划(DCZ2018020)

Research progress in effect of doping on properties of CeO₂-based electrolyte materials

Zhang Jie^1,^2,³,Zhao Mengjie¹,Cui Yingqi¹,Li Chenggang¹,Gao Jinhai¹

1.College of Physics and Electronic Engineering,Zhengzhou Normal University,Zhengzhou 450044,China;
2.School of Physics and Engineering,Zhengzhou University;
3.Zhengzhou Vcom Science & Technology Co. Ltd.

Received:2019-11-21 Published:2020-05-10 Online:2020-05-21

摘要/Abstract

摘要：

掺杂CeO₂基电解质是中低温固体氧化物燃料电池（SOFC）理想的电解质材料。首先阐述了掺杂CeO₂基电解质结构与性能的关系,接着介绍了金属离子掺杂对CeO₂基电解质晶体结构和电子结构的影响,重点综述了单元素掺杂和双元素掺杂对CeO₂基电解质性能的影响。通过分析得出：稀土金属元素单掺杂比碱土金属元素单掺杂更能显著提高CeO₂基电解质的导电性和可烧结性,但稀土氧化物的原料成本要远高于碱土氧化物;双元素掺杂比单元素掺杂具有更多的氧空位无序度和更小的氧离子迁移激活能,因此在提高CeO₂基电解质的离子电导率方面更有优势。总结了CeO₂基电解质材料的掺杂规律及构效关系,以期对制备出性能更加优异的CeO₂基电解质起到一定的指导作用。

关键词: 固体氧化物燃料电池（SOFC）, CeO₂基电解质, 碱土金属元素掺杂, 稀土金属元素掺杂, 过渡金属元素掺杂

Abstract:

The doped CeO₂-based material is an ideal electrolyte material for medium-low temperature solid oxide fuel cells（SOFC）.Firstly,the relationship between the structure and properties of doped CeO₂-based electrolytes was described.Then,the effects of metal ion doping on the crystal structure and electronic structure of CeO₂-based electrolytes were introduced. The effects of single-element doping and two-element doping on the properties of CeO₂-based electrolytes were mainly revie-wed.By analysis,the results showed that：comparing with single-doping of alkaline earth elements,the single-doping of rare earth metal elements significantly improved the conductivity of CeO₂-based electrolytes,but the raw material cost of rare earth oxides was much higher than that of rare earth oxides.CeO₂-based electrolytes doping with two-element presented more oxygen vacancy disorder and less oxygen ion mobility activation energy than the single-element doping,so two-element doping had more advantages in improving the ionic conductivity of the CeO₂-based electrolyte.The doping rules and relationship be-tween the structure and properties of CeO₂-based electrolyte materials was summarized,in order to play a guiding role in the preparation of CeO₂-based electrolytes with better performance.

Key words: solid oxide fuel cell（SOFC）, CeO₂-based electrolyte, alkaline earth metal element doping, rare earth metal element doping, transition metal element doping

中图分类号:

TQ133.3

张洁,赵梦杰,崔颍琦,李成刚,高金海. 掺杂对CeO₂基电解质材料性能的影响研究进展[J]. 无机盐工业, 2020, 52(5): 1-5.

Zhang Jie,Zhao Mengjie,Cui Yingqi,Li Chenggang,Gao Jinhai. Research progress in effect of doping on properties of CeO₂-based electrolyte materials[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2020, 52(5): 1-5.

图/表 6

图1

图2

表1

图3

图4

表2

参考文献 20

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试样	电导率/（S·cm^-1）
（CeO₂）_0.8（Gd₂O₃）_0.1	0.088 0
（CeO₂）_0.8（Sm₂O₃）_0.02（Gd₂O₃）_0.08	0.074 7
（CeO₂）_0.8（Sm₂O₃）_0.04（Gd₂O₃）_0.06	0.048 0
（CeO₂）_0.8（Sm₂O₃）_0.06（Gd₂O₃）_0.04	0.098 7
（CeO₂）_0.8（Sm₂O₃）_0.08（Gd₂O₃）_0.02	0.103 0
（CeO₂）_0.8（Sm₂O₃）_0.1	0.059 0

样品	电导率/（10^-2 S·cm^-1）
样品	1 000 ℃	1 100 ℃	1 200 ℃	1 300 ℃
CGO	1.83	2.91	5.27	5.28
2Mn-CGO	3.95	4.52	5.24	3.24

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