CN111313069B - 一种复合质子导电陶瓷电解质薄膜、其制备方法及应用 - Google Patents

一种复合质子导电陶瓷电解质薄膜、其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合质子导电陶瓷电解质薄膜、其制备方法及应用。该薄膜形成在陶瓷管表面，是由多层薄膜材料SrCe1‑xYbxO3‑α和SrCe1‑xErxO3‑α交替复合而成的复合薄膜，最内层为SrCe1‑xYbxO3‑α薄膜，最外层为SrCe1‑ xErxO3‑α薄膜。其制备方法包括以下步骤：(1)将陶瓷管表面超声清洗15‑30min，烘干；(2)采用金属有机化学气相沉积技术在陶瓷管表面依次交替形成SrCe1‑xYbxO3‑α薄膜、SrCe1‑xErxO3‑α薄膜，最终获得多层SrCe1‑xYbxO3‑α/SrCe1‑ xErxO3‑α复合质子导电陶瓷电解质薄膜。本发明首次在陶瓷管表面实现SrCe1‑xYbxO3‑α和SrCe1‑ xErxO3‑α交替形成的复合质子导电陶瓷电解质薄膜的制备，该薄膜与基体结合良好，致密性高，均匀稳定，阻氢性能优异。

Description

一种复合质子导电陶瓷电解质薄膜、其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种复合质子导电陶瓷电解质薄膜及其制备方法，属于固体氧化物燃料电池电极材料领域。
背景技术
稀土掺杂的钙钛矿型AB1-xMxO3-δ(A＝Sr，Ba，Ca；B＝Ce，Zr；M＝稀土掺杂元素)陶瓷在中高温(600-800℃)具有高质子电导率，这类材料在固体氧化物燃料电池、氢传感器、电解水制氢、常压下制氨、氢分离提纯等领域有广泛的应用[H.Iwahara，T.Esaka，H.Uchinda，N.Maeda，Solid State Ionics 3/4(1981)359]。固体电解质厚度的减小能够有效降低电解质内阻，从而显著提高电解质质子输送效率和电化学装置的输出功率。因此，对电极支撑体上致密均匀陶瓷电解质薄膜制备技术的研究开发具有十分重要的应用意义。
近些年来，金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)作为一种制备陶瓷电解质薄膜的新技术受到了广泛的关注。金属有机物化学气相沉积法采用金属有机盐作为反应源，在一定的气氛中有机物发生高温分解反应并在基底上沉积得到薄膜。MOCVD制备电解质薄膜的优点是制备温度较低，一般不超过800℃，可实现在复杂工件表面的薄膜制备。
然而，目前燃料电池用陶瓷管表面难以制备高性能、均匀稳定的质子导电陶瓷电解质薄膜。
发明内容
本发明的目的在于提供一种形成在陶瓷管表面的复合质子导电陶瓷电解质薄膜，该薄膜与基体结合良好，致密性高，均匀稳定，阻氢性能优异。
本发明的另一目的在于提供一种所述复合质子导电陶瓷电解质薄膜的制备方法，该方法简单、成本低廉，所制备薄膜的厚度可控。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种复合质子导电陶瓷电解质薄膜，该薄膜形成在陶瓷管表面，是由多层薄膜材料SrCe1-xYbxO3-α和SrCe1-xErxO3-α交替复合而成的复合薄膜，最内层为SrCe1-xYbxO3-α薄膜，最外层为SrCe1-xErxO3-α薄膜，其中x为掺杂含量，α为化学计量比系数。
其中，所述复合薄膜的层数为4层以上。
其中，所述复合薄膜的厚度为0.1-20μm。
其中，所述陶瓷管的材质为ZrO2或Al2O3陶瓷。
一种所述复合质子导电陶瓷电解质薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将陶瓷管表面超声清洗15-30min，烘干；
(2)采用金属有机化学气相沉积技术在陶瓷管表面制备SrCe1-xYbxO3-α薄膜；具体工艺参数为：反应源温度为50-500℃；载气流量为40-500mL/min；
(3)采用金属有机化学气相沉积技术在SrCe1-xYbxO3-α薄膜表面制备SrCe1-xErxO3-α薄膜，具体工艺参数为：反应源温度为50-600℃；载气流量为40-500mL/min；
(4)按照步骤(2)的工艺在SrCe1-xErxO3-α薄膜表面制备SrCe1-xYbxO3-α薄膜；
(5)依次重复步骤(3)和步骤(4)，最终获得多层SrCe1-xYbxO3-α/SrCe1-xErxO3-α复合质子导电陶瓷电解质薄膜。
本发明还提供一种所述薄膜在高温氢纯化电解装置电极的应用，其中所述电极由陶瓷管组成。
本发明提出了一种新的复合薄膜，其中SrCe1-xYbxO3-α和SrCe1-xErxO3-α这两种材料均属于稀土掺杂的钙钛型陶瓷材料。这两种材料组成首次应用于质子导电电解质薄膜，该复合薄膜的界面效应可影响其电导率性能。
本发明的有益效果是：
本发明首次在陶瓷管表面实现SrCe1-xYbxO3-α和SrCe1-xErxO3-α交替形成的复合质子导电陶瓷电解质薄膜的制备，该薄膜与基体结合强度高，致密性高，均匀稳定，阻氢性能优异，可应用于固体氧化物燃料电池、电解水高效制取氢气、常压下合成氨、氢分离提纯等方面。
本发明采用金属有机化学气相沉积技术制备复合质子导电陶瓷电解质薄膜，具有厚度可控，成本低廉的特点。
附图说明
图1为本发明的一种复合质子导电陶瓷电解质薄膜的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
如图1所示，为本发明的一种复合质子导电陶瓷电解质薄膜的组成结构示意图，该薄膜包括依次形成在陶瓷管1表面上的SrCe1-xYbxO3-α层2、SrCe1-xErxO3-α层3、SrCe1-xYbxO3-α层2和SrCe1-xErxO3-α层3，共有4层，其中SrCe1-xYbxO3-α层位于靠近陶瓷管表面的最内层，SrCe1-xErxO3-α层位于最外层。
实施例1
(1)将长60mm，外径15mm，壁厚2mm的ZrO2陶瓷管表面超声清洗15min，烘干；
(2)采用金属有机化学气相沉积技术在陶瓷管表面制备SrCe1-xYbxO3-α薄膜，具体工艺参数为：反应源为乙酰丙酮铈、乙酰丙酮锶，乙酰丙酮镱，反应源温度为350℃；H2载气流量200mL/min。
(3)采用金属有机化学气相沉积技术在SrCe1-xYbxO3-α薄膜表面制备SrCe1-xErxO3-α薄膜，具体工艺参数为：反应源为乙酰丙酮铈、乙酰丙酮锶，乙酰丙酮铒，反应源温度200℃；H2载气流量为100mL/min。
(4)按照步骤(2)的工艺在SrCe1-xErxO3-α薄膜表面制备SrCe1-xYbxO3-α薄膜；
(5)依次重复步骤(3)和步骤(4)，最终获得厚度约为0.5μm的4层SrCe1-xYbxO3-α/SrCe1-xErxO3-α复合质子导电陶瓷电解质薄膜；膜层均匀致密，与基体结合强度好；
利用电化学阻抗谱法测定4层SrCe1-xYbxO3-α和SrCe1-xErxO3-α复合质子导电陶瓷电解质薄膜在650℃的质子电导率为6.3×10-3S/cm。
实施例2
(1)将长60mm，外径15mm，壁厚2mm的ZrO2陶瓷管表面超声清洗15min，烘干；
(2)采用金属有机化学气相沉积技术在陶瓷管表面制备SrCe1-xYbxO3-α薄膜；具体工艺参数为：反应源为乙酰丙酮铈、乙酰丙酮锶，乙酰丙酮镱，反应源温度280℃；H2载气流量200mL/min。
(3)采用金属有机化学气相沉积技术在SrCe1-xYbxO3-α薄膜表面制备SrCe1-xErxO3-α薄膜，具体工艺参数为：乙酰丙酮铈、乙酰丙酮锶，乙酰丙酮铒，反应源温度220℃；H2载气流量150mL/min。
(4)按照步骤(2)的工艺在SrCe1-xErxO3-α薄膜表面制备SrCe1-xYbxO3-α薄膜；
(5)依次重复步骤(3)和步骤(4)，最终获得厚度约为1μm的4层SrCe1-xYbxO3-α/SrCe1-xErxO3-α复合质子导电陶瓷电解质薄膜；膜层均匀致密，与基体结合强度好；
利用电化学阻抗谱法测定4层SrCe1-xYbxO3-α和SrCe1-xErxO3-α复合质子导电陶瓷电解质薄膜在650℃的质子电导率为2.3×10-3S/cm。
实施例3
(1)将长60mm，外径15mm，壁厚2mm的ZrO2陶瓷管表面超声清洗15min，烘干；
(2)采用金属有机化学气相沉积技术在陶瓷管表面制备SrCe1-xYbxO3-α薄膜；具体工艺参数为：反应源为乙酰丙酮铈、乙酰丙酮锶，乙酰丙酮镱，反应源温度400℃；H2载气流量300mL/min。
(3)采用金属有机化学气相沉积技术在SrCe1-xYbxO3-α薄膜表面制备SrCe1-xErxO3-α薄膜，具体工艺参数为：乙酰丙酮铈、乙酰丙酮锶，乙酰丙酮铒，反应源温度260℃；H2载气流量80mL/min。
(4)按照步骤(2)的工艺在SrCe1-xErxO3-α薄膜表面制备SrCe1-xYbxO3-α薄膜；
(5)依次重复步骤(3)和步骤(4)，最终获得厚度约为6μm的5层SrCe1-xYbxO3-α/SrCe1-xErxO3-α复合质子导电陶瓷电解质薄膜；膜层均匀致密，与基体结合强度好；
利用电化学阻抗谱法测定5层SrCe1-xYbxO3-α/SrCe1-xErxO3-α复合质子导电陶瓷电解质薄膜在650℃的质子电导率为1.8×10-3S/cm。

Claims (5)

1.一种复合质子导电陶瓷电解质薄膜，其特征在于，该薄膜形成在陶瓷管表面，是由多层薄膜材料SrCe1-xYbxO3-α和SrCe1-xErxO3-α交替复合而成的复合薄膜，所述复合薄膜的层数为4层以上；最内层为 SrCe1-xYbxO3-α薄膜，最外层为SrCe1-xErxO3-α薄膜，其中x为掺杂含量，α为化学计量比系数。
2.根据权利要求1所述的复合质子导电陶瓷电解质薄膜，其特征在于，所述复合薄膜的厚度为0.1-20 µm。
3.根据权利要求1所述的复合质子导电陶瓷电解质薄膜，其特征在于，所述陶瓷管的材质为ZrO2或Al2O3陶瓷。
4.一种权利要求1所述复合质子导电陶瓷电解质薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将陶瓷管表面超声清洗15-30 min，烘干；
（2）采用金属有机化学气相沉积技术在陶瓷管表面制备SrCe1-xYbxO3-α薄膜；具体工艺参数为：反应源温度为50-500 ℃；载气流量为40-500 mL/min；
（3）采用金属有机化学气相沉积技术在SrCe1-xYbxO3-α薄膜表面制备SrCe1-xErxO3-α薄膜，具体工艺参数为：反应源温度为50-600 ℃；载气流量为40-500 mL/min；
（4）按照步骤（2）的工艺在SrCe1-xErxO3-α薄膜表面制备SrCe1-xYbxO3-α薄膜；
（5）依次重复步骤（3）和步骤（4），最终获得多层SrCe1-xYbxO3-α/SrCe1-xErxO3-α复合质子导电陶瓷电解质薄膜。
5.权利要求1所述复合质子导电陶瓷电解质薄膜在高温氢纯化电解装置电极的应用，其特征在于，所述电极由陶瓷管组成。
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