基本信息
- 项目名称：
- CaO掺杂Bi2O3基电解质材料的改性研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文采用固相合成法合成了(Bi2O3)0.75(CaO)0.25氧离子导体陶瓷样品，对其进行了XRD、SEM表征，用交流阻抗谱等方法以及Matlab、SPSS等软件分析了样品在500~700℃下的离子导电性，同时建立了数学模型加以理论论证推导。实际检验证明，理论推导与实际检测结果完全吻合。
- 详细介绍：
- 本文采用固相合成法合成了(Bi2O3)0.75(CaO）0.25氧离子导体陶瓷样品，对其进行了XRD、SEM表征，用交流阻抗谱等方法以及Matlab、SPSS等软件分析了样品在500~700℃下的离子导电性，结果表明：①常温下的掺杂电解质具有面心立方相δ-Bi2O3，掺杂25%的CaO能有效抑制Bi2O3的相变，使高温相保留到常温。②在所有烧结温度中，750℃烧结样品的致密性高、气孔率小、成分分布均匀。③在730-800℃范围内，当样品的烧结温度为750℃，且测试温度为700℃时，具有最佳的电学性能，电导率为0.16S/m。其活化能为79.03kJ/mol 。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 固体氧化物燃料电池被认为是最有效的高效能源替代方式之一，其实用化的主要障碍是操作温度高。而Bi2O3基电解质是中低温下离子电导率最高的氧离子导体，但Bi2O3低温极易相变，导致电导率急剧下降，从而限制了其在固体氧化物燃料电池中的应用。因此我们拟通过掺杂CaO来对氧化铋进行改性，通过XRD、SEM、EIS等方法探究其在不同烧结温度及工作温度下的离子导电性，从而达到抑制相变，改善其电学性能的目的。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性、先进性：研究表明掺杂离子半径与主体离子半径越接近越易进入母体晶格，而Bi3+与Ca2+半径近似相等，同时Ca2+掺杂尚未见报道，且相比稀土元素掺杂可大大降低成本。独特之处：（1）采用与Bi3+半径接近的Ca2+进行掺杂改性，其极有利于形成固溶体。（2）采用电化学阻抗法与数学建模等方法进行数据分析，提高实验结论可靠性。（3）改性后的Bi2O3基电解质材料的稳定操作温度降低到500℃。
应用价值和现实意义
- （1）将氧化铋基电解质材料的稳定工作温度降低到了500℃，这样可以选用较廉价材料，提高电池稳定性，延长电池寿命。尤其是当温度降低至4 O O～ 5 0 0 ℃时，电池的快速启动问题也易解决，从而使 S O F C用于电动汽车成为可能 。 (2)为固体电解质的研究提供了科学的实验基础和可靠的数据分析方法。
学术论文摘要
- 本文采用固相合成法合成了(Bi2O3)0.75(CaO)0.25氧离子导体陶瓷样品，对其进行了XRD、SEM表征，用交流阻抗谱等方法以及Matlab、SPSS等软件分析了样品在500~700℃下的离子导电性，同时建立了数学模型加以理论推导论证。结果表明：①常温下的掺杂电解质具有面心立方相δ-Bi2O3，掺杂25%的CaO能有效抑制Bi2O3的相变，使高温相保留到常温。②在所有烧结温度中，750℃烧结样品的致密性高、气孔率小、成分分布均匀。③在730-800℃范围内，当样品的烧结温度为750℃，且测试温度为700℃时，具有最佳的电学性能，电导率为0.16S/m。其活化能为79.03kJ/mol 。
获奖情况
- 本作品于2011年5月在北方民族大学校级课外科技作品竞赛特等奖；于2011年6月参与宁夏大学生创新论坛参展并作报告；于2011年6月月获得宁夏自治区挑战杯大学生科技竞赛作品前3名（具体名次还未知）。
鉴定结果
- 该论文结合当前国内外能源研究热点，在极少数国内外理论研究的基础上创新性的选择掺杂体系（CaO-Bi2O3），同时运用数学建模的方法对其进行理论推导论证，并建立了新的模型。值得推荐。情况属实。
参考文献
- 阿伦.J.巴德，拉里.R.福克纳. 邵元华，朱果逸等译.电化学方法原理和应用[M].北京：化学工业出版社，2010. Takahashi T,Iawajara H.Energy Convers[J],1971,11:105 向军，王晓辉等.新型LaAlO3基混合导体的制备和导电性能[J].稀有金属材料工程，2007，36（3）：286-290. 王振华.管式固体氧化物燃料电池阳极/电解质的制备与性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学. Enoki M,Yan J,Matsumoto H et al.Solid State lonics[J],2006,177:2053 郑勇等.固体氧化物燃料电池电解质和电极材料的研究发展[J].金属功能材料，2010,17（4）：75-80.
同类课题研究水平概述
- 由于δ-Bi2O3只能在较窄的温度范围内存在(730～825℃),要获得广泛的实际应用 ,必须保证δ-Bi2O3 在宽温度范围内的稳定性,研究结果表明在Bi2O3中掺杂一些二价、三价、五价的金属氧化物可使δ-Bi2O3在室温至800℃ 稳定存在，但也降低了材料的离子导电率。为了充分发挥氧化铋材料高离子导电率的特性 ,许多研究人员开展了大量的工作。G.A.Tompsett等人对Bi23V4O44.5和Bi23P4O44.5以及7(Bi2O3 )-2(WO3 )、3(Bi2O3)(WO3)进行了研究 ,发现Bi2V4O44.5在600℃ 时离子电导率达到 0.01S.cm-1。澳大利亚的G.Fafilek重点对Bi4V2O11系进行了研究,并以一些金属离子替代钒的位置 ,如形成Bi2V0.9Cu0.1O5.35,其离子电导率比 YSZ高2个数量级。(Bi2O3)0.18(Er2O3)0.12的电导性也较好,其在700℃的离子电导率可达0.14S/cm。新西兰的学者认为(Bi1-xSbx)8Pb5O17(x=0～013)系有作为中温电解质材料的可能。中国科技大学的研究人员对 Bi2SrxAl4O9 (x=0～0.4)系进行了细致研究,发现x=0.1时Bi1.8Sr0.2Al4O9的离子电导率达到最大值 ,在700℃和 800℃时分别达到0.08S.cm-1和0.28S.cm-1 ,在电解质材料应用上表现出非常好的前景。
