專利名稱：一種氧離子-電子混合導(dǎo)體離子電導(dǎo)率的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氧離子-電子混合導(dǎo)體材料離子電導(dǎo)率的測(cè)量方法，用于對(duì)混合導(dǎo)體材料離子導(dǎo)電性能的測(cè)量，屬于功能陶瓷領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
混合導(dǎo)體指的是一種同時(shí)具有氧離子和電子導(dǎo)電能力的陶瓷材料。目前，混合導(dǎo)體主要包括雙相混合導(dǎo)體和單相混合導(dǎo)體。雙相混合導(dǎo)體是指以純離子導(dǎo)體為基礎(chǔ)，通過添加貴金屬或電子導(dǎo)電的氧化物，使其在材料中形成連續(xù)的第二相，電子和氧離子分別從不同的相通過；單相混合導(dǎo)體主要是鈣鈦礦及其衍生結(jié)構(gòu)的化合物。其中，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)混合導(dǎo)體是通過向某些鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的金屬氧化物中摻雜低價(jià)金屬元素離子和過渡金屬元素離子造成氧空位缺陷和電子或電子空穴，從而使之同時(shí)具備氧離子和電子導(dǎo)電的能力。混合導(dǎo)體材料有著廣泛的應(yīng)用和應(yīng)用前景，例如可用于制備固體氧化物燃料電池(SOFC)的陰極電極以及透氧膜、傳感器等。
固體氧化物燃料電池(SOFC)陰極電極及透氧膜等都要求材料同時(shí)具有高的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率，而傳感器則要求材料具有高的離子導(dǎo)電率和低的電子導(dǎo)電率。因此對(duì)混合導(dǎo)體性能的研究要求能夠區(qū)分測(cè)量離子和電子兩種載流子的電導(dǎo)率。傳統(tǒng)的直流四電極及交流阻抗譜法只能測(cè)得混合導(dǎo)體的總電導(dǎo)率。濃差電池法是通過測(cè)量離子或者電子的遷移數(shù)，即離子或電子電導(dǎo)占總電導(dǎo)中的份額來得到離子或電子電導(dǎo)率的方法，通常只適用于兩者的遷移數(shù)在同一數(shù)量級(jí)的時(shí)候。對(duì)于如鈣鈦礦型混合導(dǎo)體這種電子電導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于離子電導(dǎo)率的混合導(dǎo)體，會(huì)因?yàn)闈獠铍姵禺a(chǎn)生的電位差太小而難以得到準(zhǔn)確的離子電導(dǎo)率值?；跍y(cè)量氧放射性同位素?cái)U(kuò)散速率的方法則要求昂貴的特殊設(shè)備。目前主要采用Hebb-Wagner(H-W)極化法，即通過使用離子或電子阻塞電極分別阻塞離子或電子電流來測(cè)量電子或離子電導(dǎo)率。但通過共燒結(jié)或加壓直接接觸的方法將阻塞電極與待測(cè)樣品連接在一起組成電化學(xué)電池，不可避免的會(huì)造成難以準(zhǔn)確測(cè)量的接觸電阻，且會(huì)在阻塞電極和待測(cè)樣品的兩相界面處產(chǎn)生一定程度的電極極化現(xiàn)象，而目前的H-W法忽略了接觸電阻和極化產(chǎn)生的這部分界面電阻，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。尤其是在高溫條件下，當(dāng)樣品和阻塞電極的電阻降低的時(shí)候，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于H-W法原理，能夠準(zhǔn)確測(cè)量混合導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率的測(cè)量方法。
本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案來達(dá)到的。
本發(fā)明的一種準(zhǔn)確測(cè)量混合導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率的測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 a.將待測(cè)混合導(dǎo)體材料的粉體壓制燒結(jié)成長度為L1，直徑為D的圓柱狀試樣(L1＞＞D)，保證端面平整、光滑，精確測(cè)量試樣尺寸，并計(jì)算出其端面面積S； b.用電子電導(dǎo)率很小而可以認(rèn)為是純的氧離子導(dǎo)體的材料8mol％釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)制備成圓片作為阻塞電極，阻塞電極圓片的直徑應(yīng)與待測(cè)混合導(dǎo)體圓柱試樣端面的直徑一致，保證端面平整、光滑，能夠與待測(cè)混合導(dǎo)體樣品緊密接觸； c.將待測(cè)混合導(dǎo)體試樣和阻塞電極組成結(jié)構(gòu)為Pt|YSZ-混合導(dǎo)體|Pt的電化學(xué)電池(見附圖1(a))，用直流法測(cè)得該電池的總電阻R； d.將混合導(dǎo)體圓柱試樣在不破壞阻塞電極的情況下截短，此時(shí)混合導(dǎo)體圓柱試樣的長度變?yōu)長2； e.組成結(jié)構(gòu)同上述c的電化學(xué)電池，用直流法測(cè)得電池的總電阻R′； f.根據(jù)公式σi＝(L1-L2)/[S×(R-R′)]計(jì)算出該混合導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率σi。
本方法的原理是在外加電場(chǎng)的作用下，混合導(dǎo)體中的離子和電子定向遷移產(chǎn)生電流，但由于阻塞電極的作用，使混合導(dǎo)體中的電子或電子空穴產(chǎn)生極化，最終停止遷移，此時(shí)混合導(dǎo)體中的電流全部是由于離子的造成的。將該電池等效為如附圖1所示的阻塞電極電阻Rb，界面電阻Ri，Pt電極電阻Re和混合導(dǎo)體R1，2電阻的串聯(lián)電路，則有 R＝Rb+Ri+R1+Re (1) R′＝Rb+Ri+R2+Re (2) (1)-(2)R-R′＝R1-R2 (3) 又因?yàn)镽1＝L1/(S×σi)(4) R2＝L2/(S×σi) (5) 將(4)，(5)代入(3)得 σi＝(L1-L2)/[S×(R-R′)](6) 本發(fā)明的特點(diǎn)是在于利用電子阻塞后待測(cè)混合導(dǎo)體試樣幾何形狀發(fā)生的變化引起的電阻的變化來計(jì)算得到其離子電導(dǎo)率，而且由于混合導(dǎo)體與阻塞電極的接觸情況前后沒有發(fā)生任何變化，計(jì)算中可以消去界面電阻、阻塞電極電阻以及Pt電極電阻，避免了因此造成的誤差。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程簡(jiǎn)便易行，測(cè)量電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了引入誤差的因素。



圖1為本方法測(cè)試試樣結(jié)構(gòu)及其等效電路示意圖。
(a)長度為L1的混合導(dǎo)體圓柱試樣，(b)長度截短為L2的混合導(dǎo)體圓柱試樣圖中各數(shù)字代號(hào)表示如下 1.阻塞電極2.混合導(dǎo)體3.Pt電極4.Pt導(dǎo)線 圖2為混合導(dǎo)體(BSCFO)的離子電導(dǎo)率隨溫度的變化曲線。

具體實(shí)施例方式 實(shí)施例1 采用本方法測(cè)量氧離子-電子混合導(dǎo)體Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCFO)的離子電導(dǎo)率。將BSCFO粉體燒結(jié)制備成L1＝2.46cm，S＝0.58cm2的圓柱狀試樣，相對(duì)致密度大于92％。采用8mol％釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)作為阻塞電極。將阻塞電極和混合導(dǎo)體的的接觸面磨平拋光，中間涂敷Pt漿以減小接觸電阻，然后在800℃焙燒的同時(shí)加上一定的壓力使兩者能緊密結(jié)合連接在一起，減少界面處漏氧的可能。阻塞電極和混合導(dǎo)體的另兩個(gè)面也分別涂敷Pt漿并粘結(jié)Pt絲作為電極和導(dǎo)線，在800℃焙燒30分鐘，得到光滑的Pt電極，組成結(jié)構(gòu)為Pt|YSZ-BSCFO|Pt的電化學(xué)電池，將試樣置于管式爐中，設(shè)定測(cè)量溫度范圍400℃-650℃，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)溫度間隔50℃，平衡時(shí)間1小時(shí)。用直流法測(cè)得各個(gè)溫度點(diǎn)下的電阻值R。整個(gè)測(cè)試結(jié)束后，將試樣取出，不破壞混合導(dǎo)體與阻塞電極的連接，將混合導(dǎo)體截短約1/2左右，此時(shí)混合導(dǎo)體圓柱試樣的長度L2＝1.27cm，重復(fù)上次的測(cè)量過程，得到各個(gè)溫度點(diǎn)的R′，根據(jù)公式(6)計(jì)算出各個(gè)溫度下BSCFO的離子電導(dǎo)率，并繪制成離子電導(dǎo)率隨溫度的變化曲線，測(cè)量結(jié)果見附圖2。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量混合導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟
a.將待測(cè)混合導(dǎo)體材料的粉體壓制燒結(jié)成長度為L1，直徑為D的圓柱狀試樣(L1＞＞D)，精確測(cè)量試樣尺寸，并計(jì)算出其端面面積S；
b.用電子電導(dǎo)率很小而可以認(rèn)為是純的氧離子導(dǎo)體的材料8mol％釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)制備成圓片作為阻塞電極，阻塞電極圓片的直徑應(yīng)與待測(cè)混合導(dǎo)體圓柱試樣端面的直徑一致；
c.將待測(cè)混合導(dǎo)體試樣和阻塞電極組成結(jié)構(gòu)為Pt|YSZ-混合導(dǎo)體|Pt的電化學(xué)電池，用直流法測(cè)得該電池的總電阻R；
d.將混合導(dǎo)體圓柱試樣在不破壞阻塞電極的情況下截短，此時(shí)混合導(dǎo)體圓柱試樣的長度變?yōu)長2；
e.組成結(jié)構(gòu)同上述c的電化學(xué)電池，用直流法測(cè)得電池的總電阻R′；
f.根據(jù)公式σi＝(L1-L2)/[S×(R-R′)]計(jì)算出該混合導(dǎo)體的離子電導(dǎo)率σi。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氧離子-電子混合導(dǎo)體材料離子電導(dǎo)率的測(cè)量方法?；旌蠈?dǎo)體為一種同時(shí)具有氧離子和電子導(dǎo)電能力的陶瓷材料。本發(fā)明測(cè)量方法的特點(diǎn)是，利用電子阻塞后待測(cè)混合導(dǎo)體試樣幾何形狀發(fā)生的變化引起的電阻的變化來計(jì)算而得到其離子電導(dǎo)率；由于混合導(dǎo)體和阻塞電極的接觸情況前后沒有發(fā)生任何變化，計(jì)算中可以不考慮界面電阻、阻塞電極電阻以及Pt電極電阻，避免了由此造成的誤差?；旌蠈?dǎo)體的離子電導(dǎo)率σi的計(jì)算公式為σi＝(L1-L2)/[S×(R-R′)]。本發(fā)明的測(cè)量方法簡(jiǎn)單方便，測(cè)量電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了引入誤差的因素。
文檔編號(hào)G06F19/00GK101101271SQ200710041149
公開日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日
發(fā)明者應(yīng)風(fēng)曄, 強(qiáng) 甄, 丁偉中, 汪承磊 申請(qǐng)人:上海大學(xué)