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第八章 材料与材料设计一、21世纪的新材料二、材料设计二、材料设计材料设计（materials by design）: 材料设计可定义为，应用相关的信息与知识预测与指导合成具有预期性能的材料。 材料设计正经历一个由经验性阶段到半经验性阶段再到科学阶段的发展过程。经验性方法： 即传统的“炒菜法”。它是为了探索一种新材料，根据以往的经验，更换若干配方，制作成百上千个样品，分析其组成和结构，测试其性能，从中找出一个性能较好的样品，并确定其生产工艺。半经验性方法： 它是在设计新材料之前，对现在某种性能较好的材料的结构和性能进行综合比较，在此基础上，利用固体物理学、固体化学、量子力学和量子化学的知识，把结构与性能之间的关系联结起来，提出半经验性模型，并在这样的模型指导下探索新材料。原 料微观组织结构设计制备方法设计制备材料试样材料设计观测组织结构系统设计改进测试特 性试用可 否评 价材料设计结构示意图氧离子导体设计一. 文献综述 稀土Sm掺杂La2Mo2O9的合成、表征及电性质研究 三. Ce6MoO15 及其固溶体Ce6-xRExMoO15-δ合成、结构和电性质研究一.文献综述燃料电池固体氧化物燃料电池(SOFC)固体氧化物燃料电池(SOFC)的材料电解质材料氧离子导体FC 燃料电池A 碱性PEM 质子交换膜PA 磷酸MC熔融碳酸盐SO固体氧化物能量转换效率最高的燃料电池SOFC各种燃料电池工作原理示意图固体氧化物燃料电池工作原理固体氧化物燃料电池材料的组成 阴极材料(La1-xSrx)(Co1-xFex)O3 (La1-xCax)MnO3 (Sm1-xSrx)CoO3阳极材料 Ni/Zr1-xYxO2-? 电解质材料 Zr1-xYxO2Ce1-xRExO2 ? - (La,Nd)0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O2.8连接材料La1-xSrxCrO3 氧 离 子 导 体 材 料一、萤石与类萤石型氧离子导体 1、ZrO2基氧离子导体 2、Bi2O3基氧离子导体 氧 离 子 导 体 材 料萤石型化合物结构示意图A4O84 AO2O2-A4+Phase Transitions in ZrO2Room TemperatureMonoclinic (P21/c) 7 coordinate Zr4 coord. + 3 coord. O2-High TemperatureCubic (Fm3m) cubic coordination for Zrtetrahedral coord. for O2-低价位元素取代高价位元素ZrO2 (Y2 O3) 2 CeO2 Ce2O4 Bi2O3O2- ( 1/4 removed ) Bi3+ ( 6s2 )δ-Bi2O3 的缺陷类萤石结构示意图 730~825℃ 氧 离 子 导 体 材 料二、钙钛矿型氧离子导体ABO3ABO氧 离 子 导 体 材 料三、铋系层状结构Aurivillins相氧离子导体Bi2An-1BnO3n+3(Bi2O2)(An-1BnO3n+1) (An-1BnO3n+1)2- （Bi2O2)2- Bi2WO6的结构示意图 (Bi2O2)(An-1BnO3n+1)的结构图 本征缺陷型Aurivillins相的氧离子导体 Bi4V2O11 Bi4V2O11 (Bi2O2)2 (VO3.5)2（Bi2VO5.5) 2 (Bi2O2)(VO6) + (Bi2O2)(VO5)（Bi2VO6-0.5 ) 2 n=1BIMEVOXBi2An-1BnO3n+3 γ-(Bi2O2)VO5.5 的理想结构示意图 氧 离 子 导 体 材 料 Sn2W2O8■ ■ La2Mo2O8+1 ■四、β-SnWO4型氧离子导体La2Mo2O9氧 离 子 导 体 材 料五、其它类型氧离子导体La 缺陷的氧离子导体 La2-xGeO5-δ磷灰石型（aptite）K2NiF4型烧绿石型（Pyrochlore） 钙铁石型（brownmillerite） RP型 （Ruddleesden-Popper） 等多种结构的氧离子导体 研究体系不够成熟氧离子导电性不高易于形成质子或电子导体氧离子导体的设计方法 通过前面的文献综述,我们发现，氧离子导体的研究主要集中在以下两个方面:A、通过掺杂改性,进一步提高现有材料的 导电性能；B、从化合物的结构出发,继续寻找新型氧 离子导体材料。 氧离子导体的设计就是围绕这两点而展开1、La2Mo2O9相变的存在，限制其应用。 我们从氧化物掺杂的角度出发，通过双重稀土离子的掺杂，把La2Mo2O9的高温立方相稳定于室温。2、依据设计氧离子导体的方法，合成出一个新型氧离子母体化合物Ce6MoO15“孤电子对取代原理” 设计新型氧离子导体 用不带有孤对电子并且其氧化态比带有孤对