一种纳米核壳结构YDC@BCY双离子导体陶瓷的制备方法

本发明涉及一种纳米核壳结构ydc@bcy双离子导体陶瓷的制备方法，属于固态电解质材料领域。

背景技术：

1、ceo2是一种重要的氧离子导体固态电解质，相对于传统的y2o3稳定zro2(ysz)电解质，它具有更高的离子电导率，可以在更低的温度下工作，有望成为固体氧化物燃料电池理想的电解质材料。但ceo2基固态电解质在还原性气氛中容易出现不可忽略的电子电导，因此常常引入第二相对ceo2晶粒进行保护，避免其出现电子电导。铈酸盐(baceo3)等质子导体可以作为第二相，它在氢气或者湿空气下是良好的质子导体，由于h+半径小、迁移激活能低，baceo3/ceo2之间的界面也可以作为h+和o2-的高速通道而提高复相陶瓷的电导率。作为一种典型的质子导体，baceo3的熔点比碳酸盐更高、结构更稳定。

2、现有技术已经选择适当元素与ceo2和baceo3掺杂制备成具有核壳结构的纳米粉体，但一般采用的合成方法制备出的具有核壳结构的纳米粉体仍然存在粉体粒径过大，粉体形状不规则，两相界面分隔存在，两相界面间断不连续，电导率低的问题。

3、本发明通过对现有合成方法进行改进，在获得致密的baceo3-ceo2复相电解质的同时实现并保持两相界面的连续性和稳定分布，从而克服了现有工艺方法的缺点和不足，为ceo2基电解质电导率的提高开辟一条新的途径。

技术实现思路

1、为解决现有工艺制备出的材料存在的问题，本发明提供了一种纳米核壳结构ydc@bcy双离子导体陶瓷的制备方法，按下列步骤制备得到：

2、(1)将y(no3)3·6h2o和ce(no3)3·6h2o溶于去离子水中，搅拌过程中滴加氨水调节ph，混合均匀，制得溶液ⅰ。

3、(2)将ce(no3)3·6h2o、ba(ch3coo)2和y(no3)3·6h2o溶于去离子水中，搅拌过程中滴加氨水调节ph，混合均匀，制得溶液ⅱ。

4、(3)将表面活性剂十二烷基硫酸钠(sds)溶于去离子水中充分搅拌后制备得到溶液ⅲ。

5、(4)将溶液ⅲ加入到溶液ⅰ得到均匀稳定的分散体系溶液ⅳ、将溶液ⅲ加入到溶液ⅱ得到均匀稳定的分散体系溶液ⅴ。

6、(5)将溶液ⅳ和溶液ⅴ充分混合后加氨水调节混合液的ph，将混合液置于高压釜中进行反应，真空过滤得到的滤饼用去离子水、无水乙醇反复洗涤，收集得到固相物；固相物在真空条件下干燥，煅烧，得到核壳结构ydc@bcy纳米粉体材料。

7、(6)将步骤(5)得到的核壳结构ydc@bcy纳米粉体材料经快速热压烧结炉烧结，得到核壳结构ydc@bcy双离子导体陶瓷。优选的，步骤(1)中所述制备的溶液ⅰ其ce(no3)3·6h2o和y(no3)3·6h2o的摩尔比为1:0.15，ph调节至10。

8、优选的，步骤(2)中所述制备的溶液ⅱ其ce(no3)3·6h2o、y(no3)3·6h2o和ba(ch3coo)2的摩尔比为1:0.15:1，ph至10。

9、优选的，步骤(3)在去离子水中表面活性剂十二烷基硫酸钠(sds)的加入量为0.2mol/l，在60℃搅拌15～20min。

10、优选的，步骤(4)中溶液ⅰ与溶液ⅲ的体积比为1:0.9，溶液ⅱ与溶液ⅲ的体积比为1:1.7。

11、优选的，步骤(5)中溶液ⅳ和溶液ⅴ的体积比为1:1，调节ph至10，在高压釜中的反应条件为80～120℃的温度下反应12～24h。

12、优选的，步骤(5)中真空干燥温度为110℃，时间为8h～12h。

13、优选的，步骤(5)中煅烧温度为800℃，煅烧时间为5～6h。

14、优选的，步骤(5)中所得到核壳结构ydc@bcy纳米粉体材料，粉体的粒径在20～50nm。

15、优选的，步骤(6)中热压烧结的条件为13mpa，1200℃烧结15min。

16、本发明中ydc指y-ceo2(钇掺杂氧化铈)，bcy指y-baceo3(钇掺杂铈酸钡)。

17、本发明的原理：

18、由于溶液中钡前驱体完全溶解形成ba2+，而ceo2则不完全溶解，部分通过水解作用生成可溶性的氢氧化铈络合物ce(oh)x4-x，溶液中的ba2+与部分尚存的ceo2颗粒表面发生反应生成baceo3薄层，一部分ba2+或ba(oh)+与ce(oh)x4-x反应生成baceo3。这两种过程均以原位反应的形式发生在ceo2基体上和溶液中，最终生成纳米ydc@bcy核壳结构。本发明通过原位反应制备以纳米ceo2为核、以掺杂的baceo3为薄壳的核壳结构粉体，粉体形状规则近球形，且粒径在20～50nm。结合后续快速热压烧结工艺来获得致密的baceo3-ceo2复相电解质陶瓷，有利于保持两相界面的连续性和稳定性从而提高电导率。

19、本发明的有益效果

20、(1)本发明所述制备方法用快速热压烧结工艺在获得致密的baceo3-ceo2复相电解质陶瓷，有利于保持两相界面的连续性和稳定性从而提高电导率，从而克服了现有工艺方法的缺点和不足，为ceo2基电解质电导率的提高开辟一条新的途径。

21、(2)本发明所述方法制备得到的粉体材料形状更加规则近球形，粒径在20～50nm，有助于构建两相界面从而提高电导率。

22、(3)本发明所述方法制备得到的双离子导体陶瓷经等效电路拟合电导率可达0.77×10-2s/cm2。

23、(4)本发明制备得到的ydc@bcy核壳结构纳米粉，其xrd图中并没有杂相的产生，并且所有元素在样品中分布均匀，无偏析现象。由此可见本发明所用制备方法科学合理，能按照预定设计生成所需物质。

24、(5)本发明制备的核壳结构纳米粉体均匀性好，原料易得，合成方法简单，经济成本低。

技术特征：

1.一种纳米核壳结构ydc@bcy双离子导体陶瓷的制备方法，其特征在于：按下列步骤制备得到：

2.根据权利要求1所述纳米核壳结构ydc@bcy双离子导体陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述制备的溶液ⅰ其ce(no3)3·6h2o和y(no3)3·6h2o的摩尔比为1:0.15，ph调节至10。

3.根据权利要求1所述纳米核壳结构ydc@bcy双离子导体陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述制备的溶液ⅱ其ce(no3)3·6h2o、y(no3)3·6h2o和ba(ch3coo)2的摩尔比为1:0.15:1，ph调节至10。

4.根据权利要求1所述纳米核壳结构ydc@bcy双离子导体陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤(3)在去离子水中表面活性剂十二烷基硫酸钠的加入量为0.2mol/l，在60℃搅拌15～20min。

5.根据权利要求1所述纳米核壳结构ydc@bcy双离子导体陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤(4)中溶液ⅰ与溶液ⅲ的体积比为1:0.9，溶液ⅱ与溶液ⅲ的体积比为1:1.7。

6.根据权利要求1所述纳米核壳结构ydc@bcy双离子导体陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤(5)中溶液ⅳ和溶液ⅴ的体积比为1:1，调节ph至10，在高压釜中的反应条件为80～120℃的温度下反应12～24h。

7.根据权利要求1所述纳米核壳结构ydc@bcy双离子导体陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤(5)中真空干燥温度为110℃，时间为8h～12h。

8.根据权利要求1所述纳米核壳结构ydc@bcy双离子导体陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤(5)中煅烧温度为800℃，煅烧时间为5～6h。

9.根据权利要求1所述纳米核壳结构ydc@bcy双离子导体陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤(5)中所得到核壳结构ydc@bcy纳米粉体材料，粉体的粒径在20～50nm。

10.根据权利要求1所述纳米核壳结构ydc@bcy双离子导体陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤(6)中热压烧结的条件为13mpa，1200℃烧结15min。

技术总结本发明公开了一种纳米核壳结构YDC@BCY双离子导体陶瓷的制备方法，属于固态电解质材料领域。制备工艺为：将Y(NO<subgt;3</subgt;)<subgt;3</subgt;·6H<subgt;2</subgt;O和Ce(NO<subgt;3</subgt;)<subgt;3</subgt;·6H<subgt;2</subgt;O溶于去离子水中并充分搅拌，制得溶液Ⅰ；将Ce(NO<subgt;3</subgt;)<subgt;3</subgt;·6H<subgt;2</subgt;O、Ba(CH<subgt;3</subgt;COO)<subgt;2</subgt;和Y(NO<subgt;3</subgt;)<subgt;3</subgt;·6H<subgt;2</subgt;O溶于去离子水中充分搅拌，制得溶液Ⅱ；将表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)溶于去离子水中充分搅拌后分别加入到上述溶液Ⅰ、溶液Ⅱ中，使之形成均匀稳定的分散体系得到溶液Ⅳ和溶液Ⅴ；接着将溶液Ⅳ和溶液Ⅴ进行充分混合，原位生成纳米核壳结构YDC@BCY，再经快速热压烧结后得到核壳结构YDC@BCY双离子导体陶瓷，根据等效电路拟合其600℃空气氛围下电导率可达0.77×10<supgt;‑2</supgt;S/cm<supgt;2</supgt;。技术研发人员：孟彬,王振腾,房聪聪,曾维新,柴自燃,陆行受保护的技术使用者：昆明理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/5