Ba3Ca1+xNb2-xO9-δ復合鈣鈦礦型固體電解質性能研究

丁玉石，厲 英?

1) 東北大學冶金學院，沈陽 110819 2) 遼寧省冶金傳感器材料及技術重點實驗室，沈陽 110819

高溫質子導體固體電解質可在200～1000 ℃的中高溫度段產生質子導電[1-4]，在燃料電池[5-8]、電解制氫[9]、氫分離[10-11]、電化學反應器[12]、傳感器[13-15]等領域具有良好的應用前景.

復合鈣鈦礦型固體電解質Ba3Ca1+xNb2-xO9-δ化學性質穩定，耐CO2、H2O侵蝕[16-18]，可應用于長期工作的電化學裝置. Ba3Ca1+xNb2-xO9-δ材料中的質子，其來源主要為氣氛中的水分子[19-20]. 材料中的氧空位與氣氛中的水蒸氣反應產生質子，而在Ba3CaNb2O9材料的Nb5+離子位摻雜低價的Ca2+可以造成氧空位[21]，從而導致材料產生質子. 但是材料中的氧空位也可導電，此外氧空位與氣氛中的氧氣反應，可生成電子空穴h·，導致材料產生電子空穴導電.

Ba3Ca1+xNb2-xO9-δ材料中的Ca摻雜量越大，材料的正電荷缺失越多，表現為材料中氧空位增多. 較多的氧空位可以導致材料中產生較高的質子濃度及電子空穴濃度，提高Ba3Ca1+xNb2-xO9-δ的電導率.但是過多的Ca摻雜也可能改變Ba3Ca1+xNb2-xO9-δ的晶體結構，阻礙質子、氧空位及電子空穴導電.因此，控制材料中的Ca摻雜量可控制材料的電導率，也可控制質子、氧空位及電子空穴的電導率占比（載流子遷移數）. Liang等[22]和Wang等[18]報道了Ba3Ca1.18Nb1.82O9-δ材料在含水氣氛中具有較高的電導率，載流子遷移數隨摻雜量的變化規律需要進一步研究.

本文在目前普遍研究的Ba3Ca1.18Nb1.82O9-δ材料的基礎上，制備了不同Ca摻雜量的Ba3Ca1+xNb2-xO9-δ（x=0、0.10、0.18、0.30）材料，測試了材料的電導率及質子、氧空位及電子空穴遷移數，分析了摻雜量對電導率及各載流子遷移數的影響……