山東科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告題目La10SijCiix027r的制備及性能研究學(xué)院名稱材料科學(xué)與工程學(xué)院班級(jí)無(wú)機(jī)非金屬材料工程20xx級(jí)2班學(xué)生姓名李鑫磊學(xué)號(hào)2QxxQ1130615指導(dǎo)老師韓野填表時(shí)間：20XX年4月1日六、本課題的進(jìn)度安排第1-2周：仔細(xì)查閱文獻(xiàn)，利用中國(guó)知網(wǎng)，讀秀網(wǎng)等資源，了解有關(guān)金屬元素?fù)诫s固體氧化物燃料電池的問(wèn)題，確定摻雜元素及摻雜方案；第3周：撰寫開(kāi)題報(bào)告并提交論文三級(jí)目錄；第4-9周：準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并合成摻雜量分別為的樣品，分別對(duì)樣品在120C中烘干2h后持續(xù)完場(chǎng)電解質(zhì)粉體的制備；第10-11周：對(duì)粉末進(jìn)行壓片，添加燒結(jié)助劑，壓片；第12-14周：進(jìn)行XRD,SEM,電性能測(cè)試等數(shù)據(jù)處理及簡(jiǎn)單分析；第15-16周：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用已學(xué)專業(yè)知識(shí)綜合分析，撰寫畢業(yè)論文，制作演示文稿，為答辯做好準(zhǔn)備。七、參考文獻(xiàn)[1]衣寶廉.燃料電池-高效環(huán)境友好的發(fā)電方式[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000,156[2]衣寶廉.燃料電池現(xiàn)狀與未來(lái)[J].電源技術(shù),1995,22(5):216-221[3]高偉.中溫固體氧化物燃料電池硅酸錮電解質(zhì)合成及性能研究[D].吉林大學(xué)，20XX.[3]YangZ.SinghalS.C.Fuelcells-solidoxidefuelcells|cellinterconnection.inyclopediaofelectrochemicalpowersources,Editor-in-Chief:JurgenG,Editor.20xx,Elsevier:Amsterdam,p.63-76.[4]韓敏芳彭.固體氧化物燃料電池材料及制備[m].北京:科學(xué)出版社,20XX.[5]申榮平.磷灰石型錮硅系中低溫離子導(dǎo)體的制備及性能研究[D].華南理工大學(xué)，20XX.[6]魏麗，陳涌英，王琴中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料的研究進(jìn)展[J],稀有金屬，20XX,27(2):286-298.[7]施1天樂(lè)，張華.Electricalpropertiesofirondopedapatitc-typclanthanumsilicatcs[J].JournalofRareEarths,2()xx,12:1235-1239.[8]田長(zhǎng)安，曾燕偉.中低溫SOFC電解質(zhì)材料研究新進(jìn)展[J].電源技術(shù),20XX,04:329-333.[9]魏麗，陳涌英，王琴中溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料的研究進(jìn)展[J].稀有金屬,20XX,27(2):286-298.[10]梁廣川，劉文西，陳玉如，等.B2O3基固體電解質(zhì)材料研究進(jìn)展[J]兵器材料科學(xué)與工程，2000,23(1),67-71.[11]查燕，鄭穎平，孫岳明.中溫固體氧化物燃料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，20XX,(9):22-25)Hayashina,Inabah,Matsuyamam,etal,structuralcon-siderationontheioniconductiveofperoverkite-typeoxide,[J],SolideStateTonics,1999,122:1-15.[13]孫明濤，孫俊才，季世軍.固體氧化物燃料電池的中低溫化研究[J],稀有金屬，20XX,28(6):1065-1070.114]中低溫SOFC電解質(zhì)材料研究新進(jìn)展田長(zhǎng)安，曾燕偉(南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，江蘇南京210009)SANSOMJEH,RICHINGSD,SLATERPRApowerneutrondiffractionstudyoftheoxide-ion-conductingapatite-typephases,La9.33Si6O26andLa8Sr2Si26|J].SolidStateIonics,20xx,139:205-210.SANSOMJEH,TOLCHARDJR,SLATERPR,etaLSynthesisandstructuralcharacterizationoftheapatite-typephaseLal0-xSi6O26-zdopedwithGa[J].SolidStateIonics,20xx,167:17-22.BERASTEGUIP,HULLS,GDRCIAFJ,etal.AstructuralinvestiGdtionofLa2(GeO4)OandA1kaline-Earlh-dopedNd9.33(SiO4)6O2[J].JournalofSolidStatchemistry,20xx,168:294—305.NAKAYAMAS,HIGUCHIY,KONDOY,etal.Effectofcationoroxideion-defectonconductivitiesofapatite-typeLa-Ge-OsystemceramicsUJ.SolidStateIonics,20xx,170:219-223.HIGUCHIM,MASUBUCHIY,NAKAYAMAS,etal.Singlecrystalgrowthandoxideiononductivityofapatitc-typcrarc-carthsilicatcs[J|.SolidStateIonics,20xx,174:73-80.[20]景翠.磷灰石型硅酸胸電解質(zhì)的制備與研究[D].大連理工大學(xué),20xx.[21]BrisseA,SauvetA-L,Barthet-C,etaLMierostrueturalandeleetroehemiealCharaeterizationsofanelectrolytewithanapatitestruecture,La9SnSi6O26.5[J].SolidStateIon,20xx.178:1337-1343.[22]ArikawaH,NishiguehiH,IshiharaT,etal.Oxideioneonduetib-ilyinsrdopedLaloGe6O27avatiteoxidefJ].SolidStateTonies,2000,31:136-137[23]ShaulaAL,KhartonVV,MarquesFMB.OxygenionicandelectronictransportinApatitetypeLa10-x(Si,Al)(6)O26[JJ.JournalofSolidStateChemistry,2()xx,178:2050-2061[24]PanteixPJ,Julienl,AssollantDB,etaLSynthesisandCharaeteri-zalionofoxideionsConduetorswiththeaPatitesstructureforintermediatetemperatureSOFC[J].MaterialsChemistryandPhys-ies,20xx,95:313-320[25]TaoSW,lrvineJT5.Preparationandcharacterisationofapatite-typelanthanumSilicatesbyasoi-golprocess[J].MarerialsResearchBueletin,20xx,36:1245-1258[26]吳海娜.中低溫SOFC電解質(zhì)材料合成薄膜制備及性能研究[D].南京理工大學(xué),20XX[27]KiyoshiKuroda,Ik汰oHashimot,KazunoriAdachiJunAkikusa,YoshitakaTamou,NorikazuKomada,TatsumiIshihara,YusakuTakita.CharacterizationofsolidoxidefuelcellusingdopedlanthanumGdllate[J].SolidStateIonics,2000,132:199-208.指導(dǎo)教師意見(jiàn)論文選題新穎，具有一定的研究?jī)r(jià)值，查閱資料豐富，實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的可操作性，實(shí)驗(yàn)時(shí)間安排合理，同意開(kāi)題。指導(dǎo)教師（簽名）：年月日所在系（所）意見(jiàn)負(fù)責(zé)人（簽章）：年月日填表說(shuō)明.開(kāi)題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。.此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見(jiàn)、相關(guān)系主任審查后生效。.學(xué)生應(yīng)按照學(xué)校統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式，用A4紙打印。.參考文獻(xiàn)不少于8篇，其中應(yīng)有適當(dāng)?shù)耐馕馁Y料（一般不少于2篇）。.開(kāi)題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料，與畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）一同存檔。設(shè)計(jì)（論文）題目LaioSi6-xCux027-x設(shè)計(jì)（論文）題目設(shè)計(jì)（論文）類型（劃“J”）工程實(shí)際科研項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室建設(shè)理論研究其它V一、本課題的研究目的和意義固體氧化燃料電池（SOFC）是一種清潔、有效的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，是一種可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。傳統(tǒng)的高溫燃料電池需要在1000C下運(yùn)行，而高的運(yùn)行溫度則可能會(huì)引起復(fù)雜的材料問(wèn)題，比如電極的燒結(jié)和電解質(zhì)與電極材料之間的界面反應(yīng)等。因此非?？释荛_(kāi)發(fā)出在60（）-80（）C的中溫區(qū)運(yùn)行的SOFC。開(kāi)發(fā)中溫區(qū)運(yùn)行的SOFC,主要要求就是制備出中溫固體電解質(zhì)材料。中溫化要求所用的固體電解質(zhì)材料薄膜化或在中溫下具有高的氧離子電導(dǎo)率，磷灰石結(jié)構(gòu)的硅酸鹽氧離子導(dǎo)體是一種具有開(kāi)發(fā)潛力的中低溫陶瓷電解質(zhì)材料。該材料在相對(duì)較低的溫度下（低于600℃）具有比YSZ還要高的氧離子電導(dǎo)率，并且在很寬的氧分壓范圍內(nèi)具有較低的電子傳導(dǎo)，以及較低的熱膨脹和低成本，使其成為新型氧離子導(dǎo)體研究的熱點(diǎn)。本課題旨在通過(guò)改進(jìn)配方、合成方式以及燒成工藝，獲得一種更高電導(dǎo)率的Cu摻雜磷灰石型中低溫陶瓷電解質(zhì)材料?，并完成對(duì)其性能的表征及分析。二、本課題的主要研究?jī)?nèi)容（提綱）⑴確定適宜的摻雜元素并選擇原料；（以正硅酸乙酯（TEOS）和硝酸錮（La（NO3）3?6H2O,分析純99.9%為主要反應(yīng)原料，乙醇（CH3CH2OH,分析純99.7%,國(guó)藥集團(tuán)公司）和乙酸（CH3C00H,分析純99.5%,國(guó)藥集團(tuán)公司）分別為溶劑和催化劑，并通過(guò)硝酸或氨水調(diào)節(jié)pH。）（2）選擇合適的合成方法（溶膠-凝膠法、化學(xué)共沉淀法、固相反應(yīng)法）、燒結(jié)溫度制備樣品；（將化學(xué)計(jì)量的La（NO3）3溶解在乙醇、乙酸和蒸儲(chǔ)水的混合溶液中，然后加入適量的TEOS,在80c水浴中攪拌回流，一段時(shí)間后得到透明溶膠，持續(xù)攪拌直至溶膠變?yōu)橥该鞯哪z，并在100°C下烘干。將干凝膠置于600°C下熱處理4h,以去除水分和有機(jī)物。）（3）利用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）；（4）利用交流阻抗譜法測(cè)試樣品電學(xué)性能；（燒結(jié)的圓片經(jīng)過(guò)處理后兩面涂覆銀漿140℃保溫120min,再加熱550℃保溫30min,使電解質(zhì)與電極具有良好的接觸。）三、文獻(xiàn)綜述(國(guó)內(nèi)外研究情況及其發(fā)展)1.固體氧化物燃料電池的優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)固體氧化物燃料電池(SOFCs)具有很高的轉(zhuǎn)換效率，并能有效避免COx和NOx等空氣污染，可作為一種新的清潔發(fā)電裝置，成為新能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。其中電解質(zhì)是SOFCs的一個(gè)關(guān)鍵部分，需要高的離子電導(dǎo)率。當(dāng)前傳統(tǒng)的SOFCs以氧化軌穩(wěn)定的氧化鋁(YSZ)為電解質(zhì)，這導(dǎo)致其工作溫度普遍偏高(850?1000℃),易引起電極和電解質(zhì)之間的不良界面反應(yīng)，從而降低電池的電化學(xué)性能，同時(shí)高溫操作使得SOFCs需要用貴金屬做連接材料，導(dǎo)致電池成本過(guò)高，這些都制約了SOFCs的工業(yè)化發(fā)展。由于一降低SOFCs的工作溫度(室溫?800C)可以提高材料的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)電池的壽命，擴(kuò)大連接材料的選擇范圍，降低電池的成本。因此，開(kāi)發(fā)中低溫SOFCs,促進(jìn)其商業(yè)化進(jìn)程已成為一種必然趨勢(shì)。SOFC與第一代(PAFC)第二代燃料電池(MCFC)相比有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)較高的電流密度和功率密度；(2)陽(yáng)、陰極極化較小，極化損失集中在電解質(zhì)內(nèi)阻降；(3)可直接使用氫氣、燒類(甲烷)、甲醇等作燃料，而不必使用貴金屬作催化劑；(4)避免了中低溫燃料電池的酸堿電解質(zhì)或熔鹽電解質(zhì)的腐蝕及封接問(wèn)題；(5)能提供高質(zhì)余熱，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，燃料利用率高，能量利用率高達(dá)80%左右，是一種清潔高效的能源系統(tǒng)；(6)廣泛采用陶瓷材料作電解質(zhì)，陰極和陽(yáng)極具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)；(7)陶瓷電解質(zhì)要求中高溫運(yùn)行(50()℃-100()℃),從而加快了電池反應(yīng)的進(jìn)行，還可以實(shí)現(xiàn)多種碳?xì)淙剂蠚怏w的內(nèi)部重整，簡(jiǎn)化了設(shè)備。.電解質(zhì)材料的具體要求電解質(zhì)材料在固體氧化物燃料電池中扮演兩個(gè)角色：一個(gè)是隔離氧化劑與燃料，避免二者之間的相互滲透;第二個(gè)是在陽(yáng)極與陰極之間起氧離子傳遞的作用。第一種角色要求電解質(zhì)材料要具有足夠高的致密度，只有具有足夠高的致密度才能起到有效的隔離氧化劑與燃料之間的相互滲透的作用。第二種角色則要求電解質(zhì)材料無(wú)論是在氧化還是在還原氣氛中，化學(xué)性質(zhì)要充分穩(wěn)定，并且在較低的溫度下同樣擁有高的氧離子電導(dǎo)率。除此之外，電解質(zhì)材料的熱膨脹系數(shù)要與連接體材料和陰陽(yáng)極材料相匹配，化學(xué)性質(zhì)上也要相容，相互間不能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。下面是對(duì)電解質(zhì)材料的具體要求U4(1)穩(wěn)定性。在操作溫度下，無(wú)論是在氧化氣氛或還原氣氛中，還是從室溫到工作溫度的變化范圍內(nèi)，電解質(zhì)材料必須具有足夠高的化學(xué)穩(wěn)定性、晶型穩(wěn)定性和外型尺寸穩(wěn)定性；(2)相容性。在合成和使用時(shí)，電解質(zhì)材料必須與其他電池組件如陽(yáng)極、陰極連接體材料等不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且與其他組元具有相容性，同時(shí)也要在電池組件燒制溫度下能保持化學(xué)相容性；(3)電導(dǎo)率。在氧化和還原性氣氛中，電解質(zhì)都要有足夠高的離子電導(dǎo)率，且氧離子傳遞系數(shù)接近為1,并且電解質(zhì)材料的電導(dǎo)率還必須能夠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定性；(4)致密性。電解質(zhì)材料必須易于制備成致密的薄膜，要避免燃料氣和氧氣滲透，以便有效地隔離燃料和氧化劑；(5)熱膨脹性。從室溫到操作溫度以及制作溫度的范圍內(nèi)電解質(zhì)的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與其他組元相匹配，以免脫落、開(kāi)裂和變形，同時(shí)材料應(yīng)該具有較高的韌性，易加工性和較低的成本。目前主要研究的中低溫固體氧化物燃料電池電解質(zhì)材料主要有氧化錯(cuò)基、氧化飾基、鈣鈦礦型和磷灰石型電解質(zhì)材料。與傳統(tǒng)的電解質(zhì)材料相比，新型的固體電解質(zhì)在中低溫下具有許多優(yōu)異的性能，例如在較低的工作溫度具有較高的電導(dǎo)率，但這三種電解質(zhì)仍存在難以解決的問(wèn)題：CeO2基固體電解質(zhì)的工作溫度范圍較窄，在低氧分壓和還原氣氛下穩(wěn)定性差U叫Ce，+易被還原成Ce3+,從而產(chǎn)生電子電導(dǎo)，引起通道短路，降低電池的輸出功率密度，同時(shí)伴有晶格膨脹，易開(kāi)裂等問(wèn)題。對(duì)于其易還原和不穩(wěn)定的問(wèn)題，目前只能通過(guò)CeCh在表面進(jìn)行涂膜或?qū)eCh進(jìn)行摻雜來(lái)解決，而對(duì)于基材料燒結(jié)性能差的問(wèn)題則只有通過(guò)添加燒結(jié)助劑或CeCh的納米化來(lái)解決。B12O3基電解質(zhì)材料除了具有較高的氧離子電導(dǎo)率之外，還具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，如合成溫度低、易燒結(jié)、成本低等，但其同樣也具有一些難以解決的問(wèn)題。例如在低氧分壓和還原氣氛下易被還原，在低溫下，Bi2O3容易發(fā)生相變等一些不容忽視的問(wèn)題。對(duì)于極易被還原的問(wèn)題，只有通過(guò)在電解質(zhì)薄膜外包裹一層保護(hù)層來(lái)解決。摻雜不同價(jià)態(tài)金屬氧化物(Ca,Sr,Y,La,Te,Nb,W,Mo等的氧化)達(dá)到使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的目的。ABO3鈣鈦礦型電解質(zhì)材料，屬于斜方晶系，在A,B位摻雜可以不同價(jià)態(tài)的離子，如A位摻雜Sr、Ca>Ba等的氧化物，B位摻雜Mg、Cr、Fe等氧化物，引入氧空位使其具有高的離子電導(dǎo)率。它的主要缺點(diǎn)是材料制備困難、燒結(jié)性能差等，且電解質(zhì)與電極之間可能發(fā)生界面反應(yīng)，影響電池的性能。因此，開(kāi)發(fā)性能好的新型固體電解質(zhì)己成為人們的迫切需求。.電解質(zhì)材料的研究現(xiàn)狀氧基磷灰石的離子型導(dǎo)電的電解質(zhì)材料，其主要的電荷載體是氧離子。最早以氧濃差電池的方法研究其導(dǎo)電機(jī)理的是Nakayama.S等人。磷灰石型氧化物同磷灰石礦物結(jié)構(gòu)一樣其通式為L(zhǎng)nio.x(M04)602±y,其中Ln為稀土或堿土金屬，M為Si、Ge、P、V等。在磷灰石結(jié)構(gòu)中，陽(yáng)離子M與氧組成了相互孤立的(MO4)四面體，它們之間沒(méi)有共同的氧離子，只通過(guò)陽(yáng)離子A相連。A位于結(jié)構(gòu)空穴中，配位數(shù)分別為7和9。磷灰石型硅酸錮中參與導(dǎo)電的氧離子有兩種，一種是間隙氧離子0(5)導(dǎo)電，另一種是自由氧0(4)導(dǎo)電，研究發(fā)現(xiàn)磷灰石型硅酸錮材料的導(dǎo)電方式主要是依靠間隙氧離子。盧小瑞提出磷灰石型硅酸鐲(Laio(Si04)603,因其在中溫下表現(xiàn)出較高的離子電導(dǎo)率和較低的活化能，被認(rèn)為是具有應(yīng)用前景的固體氧化燃料電池的電解質(zhì)材料,Si"位上摻雜AN+可以有效地提高磷灰石型硅酸銅的離子電導(dǎo)率，但與沒(méi)有摻雜的硅酸銅相比，延長(zhǎng)了燒結(jié)時(shí)間和燒結(jié)溫度。陳亞男，喻俊，黃志良等采用尿素-硝酸鹽燃燒法對(duì)磷灰石型LSO電解質(zhì)進(jìn)行了三價(jià)稀土元素Nd和二價(jià)堿土元素Sr的La位摻雜，對(duì)合成樣品進(jìn)行XRD、SEM分析表征，并測(cè)試和分析了樣品的電導(dǎo)率.結(jié)果表明:Sr、Nd摻雜對(duì)LSO的晶體結(jié)構(gòu)、物相和形貌產(chǎn)生的影響很小，而適量的摻雜可有效提高LSO的氧離子傳輸性能.當(dāng)摻雜量x=0.3時(shí),La9.33Mx(SiO4)6Ch(M=Sr、Nd)具有最高離子電導(dǎo)率,(Si04)602在500℃時(shí)的電導(dǎo)率分別為7.248-10-3S-cm"、1.782-10-2S?cm4.Nd摻雜不僅可以提高電導(dǎo)率，還可以降低傳導(dǎo)活化能,相比于Sr摻雜更有利于LSO在中低溫SOFCs中的應(yīng)用.實(shí)驗(yàn)認(rèn)為,Sr、Nd摻雜的LSO屬于間隙氧傳導(dǎo)機(jī)制，摻雜可以提高間隙氧的數(shù)量，間隙氧相比陽(yáng)離子空位對(duì)LSO電導(dǎo)率的影響更大。施慶樂(lè)，靳宏建等通過(guò)溶膠-凝膠(sol-gel)法制備磷灰石型固體電解質(zhì)La9.33Si6O26，考察sol-gel過(guò)程中水硅摩爾比(n(H2O)/n(Si))、醇硅體積(V(C2H5OH)/V(Si)刑pH等制備參數(shù)對(duì)溶膠性質(zhì)的影響，并采用正交設(shè)計(jì)確定了最佳制備條件。X線衍射(XRD)分析顯示,在n(H2O)/n(Si)=10、V(C2H5OH)/V(Si)=5.pH=2的最佳制備條件下可獲得單相的磷灰石型晶體。試樣在155OC燒結(jié)4h后的相對(duì)密度為93.9%,其800℃時(shí)的氧離子電導(dǎo)率高達(dá)5.50X103S-cm-1,電導(dǎo)活化能為0.86eV,室溫至800℃測(cè)得試樣的熱膨脹系數(shù)為9.3義IO+kL與普遍使用的電極材料之間具有較好的熱匹配性。.磷灰石性硅酸鋤電解質(zhì)材料的合成磷灰石型硅酸錮的制備方法主要有固相反應(yīng)法、溶膠一凝膠法、水熱合成法、噴霧熱解法、微波輔助合成法、反相微乳法、共沉淀法等。.摻雜對(duì)硅酸翎基磷灰石電導(dǎo)率的影響鑒于傳統(tǒng)電解質(zhì)材料可以通過(guò)摻雜引入氧離子空位后改善其離子電導(dǎo)率的事實(shí)，磷灰石型硅酸錮電解質(zhì)一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有關(guān)摻雜對(duì)其電性能影響的研究也就隨之展開(kāi)。由于硅酸鐲晶體結(jié)構(gòu)的靈活性，多種不同離子半徑及不同電荷數(shù)的金屬離子作為摻雜離子引入到其結(jié)構(gòu)中。根據(jù)摻雜離子取代位置的不同可分為L(zhǎng)a位摻雜、Si位摻雜和La、Si位共摻雜3種。Kendrick認(rèn)為離子半徑大的多為L(zhǎng)a位摻