[发明专利]双相钠镧铈氧化物氢离子导体及其制备方法

说明书

一种双相钠镧铈氧化物氢离子导体及其制备方法，分子式为Na_0.5+xLa_0.5‑xCeO_3‑δ；方法为：(1)碳酸钠粉体、氧化铈粉体和氧化镧粉体按摩尔比Na:La:Ce＝(0.5+x):(0.5‑x):1的比例混合；(2)以水或无水乙醇为球磨介质，球磨后烘干；(3)压制成型后在1000～1400℃煅烧1～10h，随炉冷却；(4)研磨至粒度200目以下，二次压制成型，加热至1450～1650℃烧结2～10h，随炉冷却。本发明的氢离子导体有与BaCeO₃相近的高电导率，具有比CaZrO₃更高的氢离子迁移数；本发明的氢离子导体为燃料电池、电解水、合成氨等领域性能的进一步提高奠定了基础。

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种双相钠镧铈氧化物氢离子导体及其制备方法。

技术背景

氢离子导体是一类可以传导氢离子的功能材料；具有钙钛矿结构的高温氢离子导体已被广泛用于气体及铝液测氢传感器、湿度传感器、碳氢化合物传感器、燃料电池、电解水、铝液及有机物脱氢、电化学合成氨等领域。钙钛矿氢离子导体可分为AB_1-xM_xO_3-δ与A₃(B′B″₂)O_9-δ两种结构；其中AB_1-xM_xO_3-δ型钙钛矿氢离子导体的A位通常是具有较低电负性的+2价金属阳离子(如Ba²⁺、Sr²⁺、Ca²⁺等)，B位通常是+4价金属阳离子(如Ce⁴⁺、Zr⁴⁺、Hf⁴⁺等)，M为掺杂进ABO₃晶格中的3价离子(如In³⁺、Sc³⁺、Y³⁺等)，当低价的M离子占据了B位的晶格后，材料会产生氧空位；氧空位会吸收气氛中的氢或水分子产生氢离子导电；A₃(B′B″₂)O_9-δ的A位与B′位皆为+2价金属阳离子(如Ba²⁺、Sr²⁺、Ca²⁺等)，B″位是+5价金属阳离子(如Ta⁵⁺、Nb⁵⁺等)，通过调整B′与B″的化学计量比可产生氧空位。

钙钛矿型氢离子导体中，各元素的电负性越低，材料的总碱度越高，吸收水合氢离子的能力越强，可提高材料的电导率；目前掺杂BaCeO₃具有最高的电导率，在700℃时电导率可达1.2×10^-2S·cm^-1以上[3]，但其氢离子迁移数较低，在700℃时其氢离子迁移数仅为0.6，限制了其在高温传感器方向上的应用；ABO₃型钙钛矿中，容许因子t越小，钙钛矿中BO₆八面体的扭曲越大，而扭曲的八面体可以抑制材料的氧离子导电，提高材料的氢离子迁移数，目前掺杂CaZrO₃具有最高的氢离子迁移数，在700℃时为0.95，但其电导率较低，在700℃时仅为8.0×10^-4S·cm^-1，限制了其在能源类方向上的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种双相钠镧铈氧化物氢离子导体及其制备方法，基于新型的A′_0.5A″_0.5BO₃结构，采用钠镧铈分别作为A′、A″、B位元素，通过改变A位的Na与La离子的比例，调整A位的电负性与BO₆八面体的扭曲程度，使导体材料具有较高的电导率，同时具有较高的氢离子迁移数。