[发明专利]一种氧化钕基的高温质子导体及其制备方法

说明书

一种氧化钕基的高温质子导体及其制备方法，分子式为Nd_1‑xA′_xYO_3‑α、Nd_1‑xA′_xDyO_3‑α、Nd_1‑xA′_xErO_3‑α、Nd_1‑xA′_xLuO_3‑α、Nd_1‑xA′_xTmO_3‑α、Nd_‑xA′_xYbO_3‑α、Nd_1‑xA′_xInO_3‑α或Nd_1‑xA′_xScO_3‑α，A′＝Na和/或Ca；制备方法为：(1)准备Nd、A′和B元素的氧化物、碳酸盐或硝酸盐为原料；(2)球磨混合获得混合粉体I；(3)压制成块后在800～1200℃煅烧，随炉冷却；(4)将煅烧物料球磨磨细获得混合粉体II；(5)压制成块后在1200～1600℃烧结，随炉冷却。本发明的材料满足质子导体在传感器等领域的应用需求，材料化学性质稳定，材料使用寿命长，适合工业应用。

技术领域

本发明属于高温质子导体材料技术领域，具体涉及一种氧化钕基的高温质子导体及其制备方法。

背景技术

在固体电解质材料中，高温质子导体是在高温下可以产生质子选择性迁移的材料，由于其离子导电的选择性，高温质子导体在燃料电池、电化学合成、电解水制氢、氢分离、传感器等领域，具有良好的应用前景

ABO₃基体钙钛矿型质子导体为应用较为广泛的高温质子导体材料；钙钛矿结构ABO₃为立方、四方或者正交晶系，其中A位通常为+2价阳离子(如Ba、Ca、Sr)，B位为+4价阳离子(如Zr、Ce、Ti)，通常以低价元素对A位或B位元素进行掺杂后，使原材料产生氧空位；氧空位捕获气氛中的水蒸气或者氢气可引入质子，产生质子导电，同时材料中的氧空位也可产生导电。

在ABO₃基体钙钛矿型质子导体中具有立方相晶体结构的材料质子及氧离子空位电导率均较高，其质子选择性导电较低，质子迁移数也较低。质子迁移数为质子电导率在总电导率中的占率；由于立方相材料的质子迁移数较低，采用此类材料制作的传感器，既对氢元素产生响应，也对氧元素产生响应，导致传感器的选择性较差，限制了质子导体在传感器领域中的应用。

正交结构的ABO₃基质子导体可以限制氧空位在材料中的迁移，因此，此类材料的质子迁移数较高；但是现有的质子导体，A位为+2价阳离子，B位为+4价阳离子，可以选择的元素较少，产生质子导电的材料中A位元素只有Ba、Ca、Sr，B位元素只有Zr、Ce、Th；因此正交结构的基体材料也较少，无放射性的材料在高温下只有SrCeO₃、CaZrO₃，但是二者对氧空位迁移的限制仍不能满足应用的需求，但是现有的材料种类的限制，难以通过基体的调整进一步提高材料的质子迁移数，限制了材料在传感器领域的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种氧化钕基的高温质子导体及其制备方法，采用Nd³⁺作为ABO₃的A位离子，采用其他+3价离子作为B位元素，制备出高质子迁移数的材料。