CN102931423A - La9．33Ge6O26电解质材料粉体的LiCl熔盐制备法 - Google Patents

La9．33Ge6O26电解质材料粉体的LiCl熔盐制备法 Download PDF

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仲林红
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Abstract

本发明的La9.33Ge6O26电解质材料粉体的LiCl熔盐制备法属于中温固体氧化物燃料电池电解质材料制备的技术领域。氧化镧和氧化锗为反应原料，氯化锂为熔盐；将原料和熔盐混合并加入无水乙醇进行球磨；球磨后的混合物烘干，在650~850℃下烧结8~48小时；用去离子水洗涤烧结后的产物中的LiCl盐，再烘干，得到La9.33Ge6O26电解质材料粉体。本发明制备的La9.33Ge6O26粉体粒径小，分布均匀，无团聚，物相纯度高；使用的方法制备温度低，时间短，能量消耗少，工艺简单，成本低，对设备依赖性低，适宜工业化应用。

Description

La9.33Ge6O26电解质材料粉体的LiCl熔盐制备法
技术领域
本发明属于中温固体氧化物燃料电池电解质材料制备的技术领域。涉及氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质粉体的制备方法，以氧化镧（La2O3）和氧化锗（GeO2）为初始反应原料，氯化锂（LiCl）为熔盐，通过熔盐法低温制备。
背景技术
固体氧化物燃料电池（SOFC）是由两块多孔陶瓷电极和介于其中的固体电解质组成的全固态燃料电池。高的工作温度虽然使电池具有较高的电流密度和功率密度，较小的电极极化。但同时对电池的各部件的热稳定性、高温强度、电子导电率、热膨胀匹配、化学稳定性等要求较高，材料选用受限，高温下电极与电解质反应使电池性能下降等。若能降低温度并选用较廉价的材料，则能降低电池对材料的依赖及成本，提高电池稳定性，延长电池寿命，更重要的是有利于固体氧化物燃料电池的规模化和民用化。
现有技术主要采用传统的固相反应法合成氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质粉体，如An Investigation of the Synthesis and Conductivities of La-Ge-O BasedSystems（Ionics 8 2002）。固相反应法以氧化镧和氧化锗为初始反应原料，经球磨混合，进行1150℃高温和14h长时间的一次烧结；再次研磨粉碎后，再进行1500℃高温和短时间的二次烧结，以保证样品反应充分。但固相反应法在多次高温烧结过程中，会造成锗挥发，锗成分的流失直接导致La/Ge成分比提高，伴随中间杂质相La2GeO5的出现，导致电导率降低。另外，固相反应法合成温度高、耗时长、能量消耗大且成本高；合成的粉体粒径大、粒径分布不均匀、粉体形貌不规则。传统制备方法的诸多缺陷很大程度上限制了氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质粉体的应用。本发明能够弥补传统制备方法存在的缺陷，为固体氧化物燃料电池电解质材料的制备指出了一个新的方向。
氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质粉体的低温LiCl熔盐制备方法还未见报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服背景技术制备氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质材料粉体存在的问题，提供一种以氯化锂为熔盐，低温制备氧磷灰石结构锗酸镧电解质材料粉体的方法。
为达到既不引入新杂质相又避免因锗挥发而流失的目的，本发明选用氧化镧（La2O3）和氧化锗（GeO2）为初始反应原料，氯化锂（LiCl）为熔盐。其中，氧化镧和氧化锗按照摩尔比9.33∶12配比，优选初始原料（氧化镧和氧化锗的混合物）与熔盐（氯化锂）按照质量比1∶2配比。利用低熔点氯化锂盐在650~850℃时处于熔融态作为反应介质，氧化镧和氧化锗分布在熔盐环境中，加快了彼此间的扩散速率，反应物在液相中实现原子尺度混合，使得反应在原子级进行，从而在比背景技术降低400℃的条件下合成出La9.33Ge6O26电解质材料粉体。反应后采用去离子水溶剂将氯化锂盐溶解，洗涤烘干后即可得到La9.33Ge6O26电解质粉体。
本发明的具体技术方案如下：
一种氧磷灰石结构锗酸镧电解质材料粉体的低温制备方法，以氧化镧和氧化锗为原料，以氯化锂为熔盐，其中氧化镧和氧化锗按摩尔比9.33∶12配料，原料和熔盐按质量比1∶1.9~2.5配料；将原料和熔盐混合并加入无水乙醇，在转速为300~600转/分下球磨4~24小时；球磨后的原料和熔盐的混合物烘干后，在650~850℃下烧结8~48小时；烧结后的产物用去离子水洗涤去除氯化锂，再烘干，得到氧磷灰石结构锗酸镧电解质材料粉体。
制得的氧磷灰石结构锗酸镧电解质材料粉体成分是La9.33Ge6O26。
本发明制备的La9.33Ge6O26材料所用的La2O3在常温下极易潮解，因此La2O3使用前需要在1000℃下2小时的前期热处理，去除常温潮解过程中吸入的水和二氧化碳，避免杂质的产生，保证初始反应原料中氧化镧的纯度。即，在原料与熔盐混合前，可以将氧化镧在1000℃下热处理2小时。
本发明去除La9.33Ge6O26材料中混有的氯化锂时，可以使用漏斗、广口瓶、循环水式多用真空泵组合起来的自组装装置；用去离子水多次洗涤；用硝酸银溶液滴定检测，通过是否有白色絮状沉淀产生，来判断氯化锂是否去除干净，直到没有白色絮状沉淀产生，再继续洗涤两次为止。即，所述的用去离子水洗涤去除氯化锂，可以用硝酸银溶液滴入洗涤后的去离子水中，确定没有白色絮状沉淀产生后，再洗涤两次。
制备过程中两次烘干，均可以是经110℃烘干24小时。
本发明制备La9.33Ge6O26电解质材料粉体的方法具有如下优点：
（1）制备温度低，时间短，能量消耗少；
（2）避免Ge挥发导致的杂质相的产生，物相纯度高；
（3）制备的La9.33Ge6O26粉体粒径小，分布均匀，无团聚；
（4）制备工艺简单，成本低，对设备依赖性低，适宜工业化应用；
总之，本发明解决了背景技术存在的一系列问题，首先，由于选用LiCl为熔盐低温（650~850℃）制备La9.33Ge6O26电解质粉体，避免了传统高温制备中的Ge挥发而流失，杜绝了由Ge挥发导致的杂质相的产生，确保了样品的化学计量比，提高了样品的纯度；其次，解决了高温耗能问题，制备温度从传统的1150℃,甚至1500℃降低至650~850℃，明显减小了制备过程的能源损耗；最后，解决了传统制备方法粉体粒径大、粒径分布不均匀且产生团聚的问题。
附图说明
图1是本发明的制备流程图。
图2是实施例3制备的氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质粉体的X光衍射图。
图3是实施例4制备的氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质粉体的X光衍射图。
图4是实施例3制备的氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质粉体的透射电镜图。
图5是实施例2制备的氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质粉体的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1
将初始反应原料初始反应原料11.6926g氧化镧（La2O3）和4.8272g氧化锗（GeO2）（摩尔比为9.33∶12）放入250ml玛瑙球磨罐中，再将32g氯化锂（LiCl）（初始反应原料总质量和氯化锂质量比为1∶1.937）放入玛瑙球磨罐中，并注入适量的无水乙醇；用行星式球磨机对混合物进行球磨，球磨的速度为400转/分，时间为8小时；将球磨后的原料与熔盐的混合物导入250ml烧杯，放入干燥箱里面烘干，烘干温度为110℃，烘干时间为24小时；烘干后的原料与熔盐的混合物用坩埚承装放入马弗炉内，在650℃的温度下烧结8小时；烧结后的La9.33Ge6O26电解质粉体和氯化锂混合物，利用洗涤装置，用去离子水将La9.33Ge6O26电解质粉体中混有的氯化锂洗掉，洗涤液用硝酸银溶液滴定检测，确定没有白色絮状沉淀产生后，再继续洗涤两次；洗涤后的粉体放入100ml的烧杯中，在干燥箱内110℃烘干24小时，得到纯净的氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质材料粉体。
实施例2
将初始反应原料11.6926g氧化镧（La2O3）和4.8272g氧化锗（GeO2）（摩尔比为9.33∶12）放入250ml玛瑙球磨罐中，再将32g氯化锂（LiCl）（初始反应原料总质量和氯化锂质量比为1∶1.937）放入玛瑙球磨罐中，并注入适量的无水乙醇；用行星式球磨机对混合物进行球磨，球磨的速度为300转/分，时间为24小时；将球磨后的原料与熔盐的混合物导入250ml烧杯，放入干燥箱里面烘干，烘干温度为110℃，烘干时间为24小时；烘干后的原料与熔盐的混合物用坩埚承装放入马弗炉内，在850℃温度下烧结8小时；烧结后的La9.33Ge6O26电解质粉体和氯化锂混合物，利用洗涤装置，用去离子水将La9.33Ge6O26电解质粉体中混有的氯化锂洗掉，洗涤液用硝酸银溶液滴定检测，确定没有白色絮状沉淀产生后，再继续洗涤两次；洗涤后的粉体放入100ml的烧杯中，在干燥箱内110℃烘干24小时，得到纯净的氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质材料粉体。
本实施例制得的电解质材料粉体的扫描电镜图，如图5所示。
实施例3
将初始反应原料11.6926g氧化镧（La2O3）和4.8272g氧化锗（GeO2）（摩尔比为9.33∶12）放入250ml玛瑙球磨罐中，再将33g氯化锂（LiCl）（初始反应原料总质量和氯化锂质量比为1∶1.998）放入玛瑙球磨罐中，并注入适量的无水乙醇；用行星式球磨机对混合物进行球磨，球磨的速度为400转/分，时间为8小时；将球磨后的原料与熔盐的混合物导入250ml烧杯，放入干燥箱里面烘干，烘干温度为110℃，烘干时间为24小时；烘干后的原料与熔盐的混合物用坩埚承装放入马弗炉内，在750℃温度下烧结24小时；烧结后的La9.33Ge6O26电解质粉体和氯化锂混合物，利用洗涤装置，用去离子水将La9.33Ge6O26电解质粉体中混有的氯化锂洗掉，洗涤液用硝酸银溶液滴定检测，确定没有白色絮状沉淀产生后，再继续洗涤两次；洗涤后的粉体放入100ml的烧杯中，在干燥箱内110℃烘干24小时，得到纯净的氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质材料粉体。
本实施例是优选的制备条件制得的氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质材料粉体。电解质粉体的X光衍射图、透射电镜图如图2、4所示。
实施例4
将初始反应原料11.6926g氧化镧（La2O3）和4.8272g氧化锗（GeO2）（摩尔比为9.33∶12）放入250ml玛瑙球磨罐中，再将41.29g氯化锂（LiCl）（初始反应原料总质量和氯化锂质量比为1∶2.499）放入玛瑙球磨罐中，并注入适量的无水乙醇；用行星式球磨机对混合物进行球磨，球磨的速度为600转/分，时间为4小时；将球磨后的原料与熔盐的混合物导入250ml烧杯，放入干燥箱里面烘干，烘干温度为110℃，烘干时间为24小时；烘干后的原料与熔盐的混合物用坩埚承装放入马弗炉内，在750℃温度下烧结48小时；烧结后的La9.33Ge6O26电解质粉体和氯化锂混合物，利用洗涤装置，用去离子水将La9.33Ge6O26电解质粉体中混有的氯化锂洗掉，洗涤液用硝酸银溶液滴定检测，确定没有白色絮状沉淀产生后，再继续洗涤两次；洗涤后的粉体放入100ml的烧杯中，在干燥箱内110℃烘干24小时，得到纯净的氧磷灰石结构La9.33Ge6O26电解质材料粉体。
本实施例制备的电解质粉体的X光衍射图，如图3所示。

Claims (4)

1.一种La9.33Ge6O26电解质材料粉体的LiCl熔盐制备法，以氧化镧和氧化锗为反应原料，以氯化锂为熔盐，其中氧化镧和氧化锗按照摩尔比9.33∶12配料，反应原料和熔盐按照质量比1∶1.9~2.5配料；将原料和熔盐混合并加入无水乙醇，在转速为300~600转/分下球磨4~24小时；球磨后的原料和熔盐的混合物烘干后，在650~850℃下烧结8~48小时；烧结后的产物用去离子水洗涤去除氯化锂，再烘干，得到氧磷灰石结构锗酸镧电解质材料粉体。
2.根据权利要求1所述的La9.33Ge6O26电解质材料粉体的LiCl熔盐制备法，其特征在于，所述的用去离子水洗涤，用硝酸银溶液滴入洗涤后的去离子水中，确定没有白色絮状沉淀产生后，继续洗涤两次。
3.根据权利要求1或2所述的La9.33Ge6O26电解质材料粉体的LiCl熔盐制备法，其特征在于，在原料与熔盐混合前，将氧化镧在1000℃下热处理2小时。
4.根据权利要求1或2所述的La9.33Ge6O26电解质材料粉体的LiCl熔盐制备法，其特征在于，制备过程中两次烘干，是经110℃烘干24小时。
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