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Chem. Eur. J. :高离子电导率的 Mo/Mg 共掺杂磷灰石型硅酸镧电解质的合成与致密化研究2023-05-05
萨里大学Bahman Amini Horri 课题组报道了通过简单的共沉淀的方法合成Mo/Mg共掺杂的磷灰石型硅酸镧(LSO)电解质。该电解质在1500℃ 烧结4小时后,致密性可以达到98%以上,在800℃测试的条件下,电导率从0.782 mS·cm-1提高到33.94 mS·cm-1,展现出很高的离子电导率。

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200℃ 8小时;(b) 1400℃ 8小时;(c) 1500℃ 4小时;(d) 在 1500 ℃ 下烧结 4 小时的横截面成像; (e) Mo0.25/Mg0.3-LSO样品精修图。

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图2 共掺杂Mo/Mg-LSO和未掺杂LSO电解质线性化的阿伦尼乌斯图和离子电导增加的机理图

探索清洁和可持续的能源以满足不断增长的能源需求并减少对环境的污染已成为现在全球面临的最大挑战之一。固体氧化物电解槽 (SOEC) 是一种很有前景的能源设备,因为它们可以基于 100% 可再生能源有效地将电能转化为氢气、合成气或合成燃料,而不会产生任何碳排放。

SOEC 由致密陶瓷电解质、多孔阳极和阴极组成。电解质层是夹在两电极之间的电池的重要组成部分,用于在两个电极之间转移氧离子并分离氢气和氧气。目前比较传统的电解质是YSZ, 但是YSZ通常需要较高的工作温度 (> 800 ℃),从而实现很好的离子电导率。然而,高温的工作温度阻碍的YSZ实际的工厂运用,因为它会导致密封、电池的稳定性和成本高等问题。因此,在相对较低温度下工作且具有高离子电导率的电解质对于SOEC 的广泛应用至关重要。GDC是目前运用的较为广泛的电解质,但是GDC在还原的气氛下不太稳定,Ce4+容易被还原为Ce3+, 因此在实际的运用中,通常使用YSZ/GDC双层解决这个问题。

LSO电解质在中间温度(500-800 ℃) 的条件下,也有很好的离子电导,并且在还原的气氛中稳定。文献中已经报道过通过掺杂去进一步的提高LSO的离子电导。目前LSO电解质存在的主要问题是需要较高烧结温度(1700 ℃) 去形成致密的电解质;La2SiO5和La2SiO7杂质在烧结是很容易形成,从而降低离子电导。

为了解决这些问题,作者通过使用共沉淀的方法去减少烧结温度,使其在1500℃烧结4小时候就可以形成致密的电解质;通过共掺杂Mo/Mg去抑制杂质La2SiO5和La2SiO7的生成。当Mo0.25/Mg0.3取代Si的位置时,LaⅡ-O4和Si-O变长,从而增加了氧离子迁移的轨道,使氧离子迁移变快。并且Mo6+离子的掺杂,使得间隙氧的增加,从而增加了使离子电导增加。本文是第一次系统性的研究了Mo/Mg的双掺杂对LSO的致密性,纯度和电导率的影响,并且详细的解释了离子电导增加的机理。

文信息

Synthesis and Densification of Mo/Mg Co-Doped Apatite-type Lanthanum Silicate Electrolytes with Enhanced Ionic Conductivity

Jing Li, Dr. Qiong Cai, Dr. Bahman Amini Horri

Chemistry – A European Journal 

DOI: 10.1002/chem.202300021

 

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