一種可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池用氧離子導體材料，特別涉及一種可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氧離子導體是一種多數(shù)載流子為氧離子的固體電解質(zhì)。而氧離子可視為由氧氣和電子組成。因此氧離子導體可認為同時傳輸氧氣和電子。由于該特性，氧離子導體在氧傳感器、固態(tài)離子器件以及固體氧化物燃料電池等清潔能源方面得到了廣泛地應(yīng)用與關(guān)注。但傳統(tǒng)的氧離子導體需要在高溫下才能得到較高的離子電導率，極大地限制了其應(yīng)用。2000年Iacorre發(fā)現(xiàn)新型氧離子導體La2Mo2O9，其在中低溫下仍具有傳統(tǒng)氧離子導體基質(zhì)高溫下才具有的較高離子電導率，因此La2Mo2O9極大地豐富了氧離子導體的應(yīng)用范圍。
[0003]由于La2Mo2O9基氧離子導體的離子電導性對溫度的變化較為敏感。因此，測試應(yīng)用過程中氧離子導體的工作溫度，對了解氧離子導體的工作狀態(tài)，具有重要的意義。
[0004]接觸式溫度探測需要在元器件如熱敏電阻表面附著電極，需要探測器件對溫度的響應(yīng)，進而反推出器件所處環(huán)境的溫度。反復加熱過程中會對器件產(chǎn)生一定的損耗，進而影響溫度探測的準確性。且由于氧離子導體在應(yīng)用過程中是處于高溫狀態(tài)，很難利用接觸式溫度探測器進行探測。而非接觸式溫度探測如光學溫度探測對探測氧離子導體在應(yīng)用過程中的溫度具有一定的優(yōu)越性。
[0005]光學溫度傳感器是基于熒光強度比(FIR)技術(shù)，即利用稀土離子摻雜的熒光材料作為傳感介質(zhì)，在不直接接觸樣品的情況下，利用探測器直接探測激發(fā)光激發(fā)下稀土離子光譜變化，即稀土離子的兩個玻爾茲曼熱布局的激發(fā)態(tài)能級發(fā)射的兩條譜線的熒光強度比隨溫度的變化，進而進行溫度測量。稀土離子中，Er3+由于其2H11/2、4S3/2能級差極小，僅800cm \ 二者能級布局數(shù)對外界溫度變化極其敏感。而Yb3+能級不僅匹配商用980nm激光器波長，而且敏化Er3+的作用同樣顯著。因此，常選用980nm激光器激發(fā)Yb 3+、Er3+共摻樣品，利用FIR技術(shù)，非接觸性探測樣品的溫度。
[0006]現(xiàn)有的燃料電池用氧離子導體如Zr02:Ce、Bi 203、LaGaO3等，都還未實現(xiàn)原位溫度探測功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體材料，實現(xiàn)了原位探測溫度功能，測試的靈敏度較高。
[0008]本發(fā)明的另一目的在于提供上述可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體材料的制備方法，制備工藝簡單、成本低，制備過程環(huán)保無污染。
[0009]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0010]—種可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體材料，以La2 x yMo209為基質(zhì)，以稀土離子Er3+作為激活離子，以Yb 3+為敏化離子，化學組成為La 2 x yMo209:Er 3+x, Yb3+y，其中0.002 ^ X ^ 0.08,0.02 ^ y ^ 0.08。
[0011]所述的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體材料的制備方法，包括以下步驟:
[0012](I)按化學組成為 La2 x yMo209:Er 3+x，Yb3+y，其中 0.002 彡 x 彡 0.08,0.02 ^ y ^ 0.08中各元素的化學計量比，稱取對應(yīng)的原料:含La化合物、含Mo化合物、含Er化合物、含Yb化合物，混合原料后在瑪瑙研缽中研磨均勻，得到前驅(qū)體混合物；
[0013](2)前驅(qū)體混合物在500 °C?600 °C下進行第一次燒結(jié)，將燒結(jié)后隨爐冷卻至室溫后，取出研磨；
[0014](3)步驟(2)研磨后的物料在950?1150°C下進行第二次燒結(jié)，得到氧離子導體粉末。
[0015]步驟(2)所述第一次燒結(jié)，具體為:
[0016]將前驅(qū)體混合物置于程序升溫箱式電阻爐中，以8°C /min?11°C /min的速度升溫至500?600°C，保溫8?Ilh。
[0017]步驟(3)所述第二次燒結(jié)，具體為:
[0018]將步驟(2)研磨后的物料置于程序升溫箱式電阻爐中，以7°C /min?11°C /min的速度升溫至900?IlOOcC，保溫10?15h。
[0019]所述含La化合物為La2O3;所述含Mo化合物為MoO 3;所述含Er化合物為Er 203;所述含Yb化合物為Yb203。
[0020]所述的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體材料的制備方法，包括以下步驟:
[0021](I)按化學組成為 La2 x yMo209:Er 3+x，Yb3+y，其中 0.002 彡 x 彡 0.08,
0.02 ^ y ^ 0.08中各元素的化學計量比，稱取對應(yīng)的原料:含La化合物、含Mo化合物、含Er化合物、含Yb化合物，混合原料后在瑪瑙研缽中研磨均勻，得到前驅(qū)體混合物；
[0022](2)前驅(qū)體混合物在500 °C?600 °C下進行第一次燒結(jié)，將燒結(jié)后隨爐冷卻至室溫后，取出研磨；
[0023](3)在步驟⑵研磨后的物料中添加PVA粘結(jié)劑，造粒后模壓成片，脫膠后在900?1100°C下進行第二次燒結(jié)，得到氧離子導體陶瓷片。
[0024]步驟(2)所述第一次燒結(jié)，具體為:
[0025]將前驅(qū)體混合物置于程序升溫箱式電阻爐中，以8°C /min?11°C /min的速度升溫至500?600°C，保溫8?Ilh。
[0026]步驟(3)所述第二次燒結(jié)，具體為:
[0027]將脫膠后的坯體置于程序升溫箱式電阻爐中，以7V /min?11°C /min的速度升溫至900?IlOOcC，保溫10?15h。
[0028]步驟⑶所述脫膠，具體為:
[0029]將模壓得到的陶瓷生坯置于程序升溫箱式電阻爐中，以2°C /min?3°C /min的速度升溫至150?200°C，保溫I?2h ;以1°C /min?2°C /min的速度升溫至350?400°C，保溫3?4h ;以2°C /min?3°C /min的速度升溫至550?600°C，保溫I?2h后，隨爐冷卻到室溫。
[0030]所述含La化合物為La2O3;所述含Mo化合物為MoO 3;所述含Er化合物為Er 203;所述含Yb化合物為Yb203。
[0031]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0032](I)本發(fā)明的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體材料，以La2 x yMo209為基質(zhì)，以稀土離子Er3+作為激活離子，以Yb 3+為敏化離子，實現(xiàn)了原位探測溫度功能。
[0033](2)本發(fā)明的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體材料，在980nm激光激發(fā)下，通過探測該氧離子導體中Er3+的兩個綠光峰強度比率，可以直接檢測氧離子導體在應(yīng)用過程中的溫度，不需要再借助其他溫度探測器；本發(fā)明的光學溫度探測氧離子導體兼具氧離子導體所需的離子導電性以及光學溫度探測性能?？梢灾苯犹綔y基質(zhì)在應(yīng)用過程中的溫度，進而了解基質(zhì)在不同溫度下離子電導率，可以簡單方便地直接了解氧離子導體的工作狀態(tài)。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明的實施例1制備的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體材料的 XRD 圖譜和 ICSD-172479La2Mo209標準譜。
[0035]圖2為本發(fā)明的實施例1制備的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體陶瓷片523K下測得的復阻抗cole-cole圖。
[0036]圖3本發(fā)明的實施例1制備的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體陶瓷片不同溫度下測得的復阻抗cole-cole圖。
[0037]圖4為本發(fā)明的實施例1制備的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體陶瓷片在323K下980nm激光激發(fā)所得到的發(fā)射光譜。
[0038]圖5為本發(fā)明的實施例1制備的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體陶瓷片不同溫度下測得的介電常數(shù)隨頻率變化圖。
[0039]圖6為本發(fā)明的實施例2制備的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體在323K下980nm激光激發(fā)所得到的發(fā)射光譜。
[0040]圖7為本發(fā)明的實施例2制備的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體在523K下980nm激光激發(fā)所得到的發(fā)射光譜。
[0041]圖8為本發(fā)明的實施例2制備的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體材料在不同溫度下，對980nm激光激發(fā)所得到的發(fā)射光譜在548nm綠光發(fā)射峰歸一化后所得到的歸一化發(fā)射光譜。
[0042]圖9為本發(fā)明的實施例2制備的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體材料在不同溫度下，對980nm激光激發(fā)所得到的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜的525nm和548nm綠光發(fā)射的積分強度比對數(shù)與溫度倒數(shù)的關(guān)系圖。
[0043]圖10為本發(fā)明的實施例2制備的可原位探測溫度的燃料電池用的氧離子導體材料在不同溫度下，對980nm激光激發(fā)所得到的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜的525nm和548nm綠光發(fā)射的積分強度比與溫度的關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0044]下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
[0045]實施例1
[0046]準確稱取1.0833g La2O3^l.0076g Μο03、0.0268g Er203、0.0414g Yb2O3,混合上述原料后在瑪瑙研缽中研磨均勻，得到前驅(qū)體混合物。將前驅(qū)體混合物置于程序升溫箱式電阻爐中，以8°C /min的速度升溫至600°C，保溫8h，隨爐冷卻至室溫后，取出再次研磨；在所得粉末中添加PVA粘結(jié)劑，后在研缽中研磨使粘結(jié)劑與樣品混合均勻，直至成為干燥的均勻粉狀物質(zhì)。后模壓成片，進行脫膠:將陶瓷片置于程序升溫箱式電阻爐中，以2°C /min的速度升溫至150°C，保溫Ih ;以10C /min的速度升溫至350°C，保溫3h ;以