溶胶凝胶完整版本

一种新的溶胶-凝胶路线提出了微米厚La0.56Sr0.42Co0.2Fe0.8O3-D（LSCF）膜的氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）基片上的制造。从金属的硝酸盐，乙二醇和己二酸制成的溶胶基础用糖和/或乙酰丙酮（ACAC）改性。ACAC和糖的合适的组合保证连续膜的形成以及对YSZ基底显着提高膜的粘合性。的YSZ基板上的LSCF膜的更好的覆盖用纺丝速度和沉积重复的调谐进一步增强。界面电阻是0.41，0.19和0.10点¯x在700，分别750和800℃，平方厘米。这些结果表明，在LSCF膜应作为一个YSZ衬底和相邻多孔LSCF层之间的中间层以及执行。引言一种固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种生产清洁能源的主要技术之一;然而，传统SOFC的工作温度是相当高的，通常低于800℃以上。降低温度到中间温度（IT）的范围（600-800℃）提供了若干优点运作诸如相容材料的更多的选择，降解较少和较短的启动/关机时间[1]。为了使细胞在IT范围内操作，选择材料以及SOFC组件的微结构必须适应降低其变大时的操作温度降低电化学损失[2，3]。关于为IT-SOFC的材料选择，松懈SryCo1-zFezO3-D（LSCF）脱颖而出顶级候选人SOFC阴极之间，因为它具有较高的离子/电子导电性;而且，它是热/化学与由稀土掺杂的二氧化铈的电解质相容[4,5]，这是一种具有高的离子传导性的材料[6,7]。尽管如此，由于存在可达参与这种复合氧化物的形成四个不同的阳离子杂质，例如的SrO，碳酸锶，氧化镧可能如果每个离子没有很好地结合到主相出现的每个材料合成步骤之后。从我们的经验，人们发现，消除这些不需要的杂质相的不是一个简单的问题。要材料被视为良好的SOFCelec-trolyte，其离子电导率与总电导率（电子？离子电导率）比具有接近统一，以避免短路发生率。此外，由于电解质，优选的致密的，用于隔离从氧气氢以及其强度必须足以防止机械故障时的冲击力。虽然稀土掺杂的氧化铈为一个IT-SOFC电解质的有前途的候选者，在阳极侧的还原性环境中的机械强度和稳定性不如那些更便宜的常规电解质如氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）的[8]。由于这些原因，YSZ为实质上的SOFC电解质的固体氧化物燃料电池类型也依赖于elec-trolyte成为一个SOFC电池结构支撑的主偏好仍。不幸的是，YSZ可以与LSCF反应，导致在高温下[9，10]形成绝缘相如La2Zr2O7或SrZrO3的。一种解决方案，以防止这样的效果是降低烧结温度以及工作温度。另一种方法是引入一个缓冲层，以防止在YSZ和LSCF材料之间的直接接触;然而，这些示例配置并不在此工作的重点。在微观结构剪裁以降低操作温度而言，需要用于欧姆损耗最小化薄致密电解质[11，12];此外，电极的孔隙率，必须进行分级，以减少总的极化电阻。特别是，相邻于电解质（中间层）的电极层必须是相当致密的，为了减少在电极和电解质界面[13，14]的离子转移电阻很好地粘附的电解质。位于电解质和更多孔的阴极层之间的相对致密cath-赋中间层通过涂覆溶胶凝胶的[13]和流延证实（该材料是Bi2O3-LSCF复合）[14]。在此研究中，我们试图通过使用新的改性溶胶凝胶法制造的LSCFcath-赋中间层。此处，糖和ACAC含量朝向膜的微观结构变化的影响进行了研究。糖加入到溶胶-凝胶前体，以改变该溶液的粘度。然而，由于糖烧掉会导致孔隙率在薄膜[15]的存在下，ACAC被陈建posely加到LSCF前体以这些所得孔隙最小化。据推测，ACAC可以减少电影，这将确保单向形式LSCF微晶蔓延的表面张力。因此，这些孔应关闭起来的时候LSCF微晶烧结到彼此。因为孔的存在可能会增加在YSZ/LSCF界面的界面极化，它通过分析从阻抗谱导出的界面极化，以验证该膜的适用性是重要的。从优化样品的界面电阻然后相比，那些在各种温度下的其他可用的报告。2实验2.1LSCF凝胶制剂La0.56Sr0.42Co0.2Fe0.8O3-D（LSCF）与为0.2g浓度的前体/mL的使用改良的溶胶-凝胶方法制备。使溶胶基础的La（NO3）36H2O（99.99％，Aldrich公司），锶（NO3）2（99.99％，Aldrich公司），钴（NO3）26H2O（99.99％，Aldrich公司）和Fe（NO3）39H2O（99.99％，Aldrich公司）的化学计量溶于无水乙醇，乙二醇和己二酸。ethano-升的比例：乙二醇：己二酸为10：2.5：0.55（重量）。调查糖添加剂的溶胶基础上的效果，每LSCF糖的比率固定为0.2，0.35，0.5和0.65（重量）（分别标记为S0.2，S0.35，S0.5和S0.65，），而乙酰丙酮（ACAC）在该前体以每1gLSCF0.5，0.75和1毫升的量混合。将溶液回流，并在70℃下剧烈连续搅拌4小时。接着，该溶液4小时干燥，以获得为薄膜fabri-阳离子的凝胶。热膨胀的调查，与糖的优化量制备凝胶/ACAC在350℃Cfor35minandwascalcinedat900°Cfor4hto加热得到的LSCF粉末。然后将粉末压成块状试样，然后在1050℃下加热2小时。散的元件组合物也进行了比较的电影版。2.2YSZ衬底准备YSZ粉末（8YSZ-BD等级，东曹）的单轴压制成直径为13mm的小球，并在1400℃下烧结2小时。烧制YSZ粒料的厚度和直径*分别为0.5和10毫米，。2.3制作电影具有不同数目的层（标记为LSCF-NL2中，n=1，和7，其中n是薄膜层的总数）的LSCF膜涂敷在压制YSZ粒料与1000-4000rpm的旋转速度为1.5-15分钟。该膜的每个后续LSCF层的沉积之前，在350℃下煅烧5分钟。在1050℃下的所有LSCF-NL/YSZ样品共烧2小时。2.4表征LSCF材料用扫描电子显微镜（JEOL，JSM-5410）观察所有电影的形态。烧结的膜检查其晶体结构和使用X射线衍射装置（日本电子，JDX-3530）的杂质相。在散装的形式以及膜中的LSCF材料的组合物用的EDX（JEOL，JSM-5410）测定的。该LSCF散装（595940毫米）测sured由膨胀计（安特UNITHERM，1161），其热膨胀系数。电化学阻抗谱（EIS）是在空气中的LSCF/YSZ/LSCF细胞在550-800℃下从0.01Hz至1兆赫进行了使用频率范围内的阻抗分析仪（Gamry，参考3000），用的AC振幅10毫伏。的Pt-Ag膏（ESL，9512-G）和Ag目（FCM，0.11毫米16细胞/平方厘米）用作集流器。3。结果与讨论从含有各种量的添加糖的LSCF溶胶基础产生烧结LSCF膜（LSCF-1L）中的一个层的SEM显微照片被示于图1.在1050℃下，该膜（图1a）破裂和剥离的烧结不含糖由于热膨胀失配和LSCF和YSZ子施特拉特之间的粘附性差之后。加糖的样品一般（图1b-D）有较小的隔离LSCF补丁（或''岛'）相比，一个不加糖的。图2示出形成在这两种类型的样品中分离出的补丁。在热影响，因为没有糖样品（图2a），结晶颗粒LSCF聚集彼此并成长为一个补丁。然后，破解发展整个电影以缓解热失配应力。虽然该膜exten-裂轮圈sively脱落，有在那里补丁份能够弱结合到基板上，其结果是，分离的大膜贴剂暴露出一些完整膜区域（位于由点符号）。当糖加入到溶胶的基础上（图2b），在LSCF凝胶变得更粘稠所以有越来越头号之间进行竞争另一个拉动含有结晶LSCF干燥凝胶粘性点（也由点符号表示）的颗粒朝向自己，从而在岛的形成。岛也大量存在与因碳化糖（图1F）氧化孔隙。比较S0.2至S0.35和S0.5样品，S0.2包含周边及其岛屿比S0.35和S0.5样张更未填充区域。这可能是相关的这一事实，即S0.2具有比其他粘点的数量较少。注意，这里提出的粘点，这是关系到粘度效应的CON组概念，是从被相关的糖烧掉处理所述一个不同的，因为如果只有糖烧掉现象是相关的，则该间间隙岛应该成为的添加糖含量的增加量宽。当加入过多的糖，高达65％（S0.65）时，LSCF岛的分布差，因为溶液变得过分粘稠。在这个过渡阶段，S0.35和S0.5被认为是具有最佳的糖含量的样品;因此，它们被用于随后的研究。然而，这些糖加膜也没有很好地粘附于衬底。为确保更好的糖加前体的传播，三种不同浓度ACAC的分别加入到S0.35和S0.5。将样品标记为S0.35A0.5，S0.35A0.75，S0.35A1.0，S0.5A0.5，S0.5A0.75和S0.5A1.0。S0.35A0.5样品的表面形态示于图。3A。LSCF杆在S0.35A0.5ticles的分散液相当与ACAC除了改善。此外，它的LSCF粒子能够烧结，并形成一个连续的LSCF膜。尽管如此，对于S0.35系列具有较高量ACAC（S0.35A0.75，S0.35A1.0），在膜的裂缝，如图变得更加突出。3B，C。为S0.5集，具有最佳ACAC含量试样为S0.5A1.0鉴于降低ACAC量导致与许多缺陷尤其裂纹和未填充区域的薄膜表面上的薄膜（图3F）（图3d，E）。虽然，ACAC有助于减少溶胶-凝胶解决方案的表面张力;这使得凝集LSCF粒子的统一的连接，仍然需要糖和ACAC之间的最佳混合物，因为这与不同量的这些添加剂改变了粘度也对LSC​​F膜形态的质量产生影响。为了最大限度地减少在糖烧掉步骤膜缺陷，被选择为下一个研究仅S0.35A0.5样品，涉及自旋速度在膜的形态的影响。此外，薄膜沉积两次以提高基材覆盖（LSCF-2L）。尽管ACAC的/糖适当比例可以在这个初级阶段确定根据在先前调查2009年倍率，这是从该S0.35A0.5膜，以1000rpm旋转，仍含有numer-OU的微裂纹（图4a）仔细检查（50009）显而易见。这可能来自溶液的粘度和旋转速度之间的不匹配;其结果是，在旋转速度的进一步调谐进行了。从我们的调查，LSCF膜（图4b）与裂纹的问题不太严重是为4000转的旋转速度来实现，因为这样高的旋转速度提高了膜扩展和厚度减小有关的应力的效果。一般地，较厚的薄膜是更容易比由于内置了应力的较薄破解。可以在更高的旋转速度下获得具有低应力的薄膜作为以上材料被摘掉衬底。但是，这一策略也导致更多的物质损失。为了应对这一后果的问题，旋转持续时间必须保持在最低优化。在这项研究中，第90号自旋持续时间选择坚持的电影内容的适量。因此，我们发现的LSCF膜的至少七层被要求以覆盖未填充衬底区域和薄膜裂缝。图5a示出的LSCF-7L的表面mor-phology。观察到大量亚微米针孔和裂缝的LSCF表面上。这些缺陷应归功于糖烧掉的效果。有趣的是，这两个LSCF-2L和LSCF-7L膜粘附到YSZ衬底非常以及该膜能够经受硬通过使用不锈钢刀划伤。改进的膜到衬底的粘附（当加入ACAC）可能意味着在糖的烧掉的特点，帮助LSCF微晶均匀地分散在基片上，以及贴近彼此的变化。LSCF-7L膜的厚度为*1流明（图5b）。X射线衍射（XRD）被用来确定LSCF-7L膜的主相和杂质成分。图-URE6示出了LSCF/YSZ的代表性XRD图由新的改性的溶胶-凝胶方法制备La0.56Sr0.42Co0.2Fe0.8O3-D（LSCF）膜，以便调查的界面阻力在沉积在一个钇稳定氧化锆（YSZ）衬底通过旋涂的两侧在LSCF-YSZ界面。从溶胶基础制成，包括金属硝酸盐，乙二醇和己二酸的膜，广泛地裂化以及它们与基板密接性差。引入糖和ACAC溶胶基础的最佳量导致的LSCF膜连接的改善。此外，这部电影能