无机制备实验讲义-2012.doc

- PAGE 1 - 氧化锆电解质材料的制备与性能 （综合实验讲义） 2012版 一、实验目的 综合考察学生基础知识和专业知识的掌握程度 使学生熟悉并掌握材料制备和性能测试的综合过程，掌握相关设备的原理和使用 培养学生从事综合实验的能力 使学生对科学研究过程获得初步训练。 二、实验仪器 湿化学法制粉装置、水环泵、干燥箱、煅烧炉、烧结炉、管式炉、电导率测定装置、综合热分析仪、电化学工作站（上海辰华CHI660C）等 三、实验原理 在强酸性条件下，氧化钇（Y2O3）可以溶解，以Y3+形式存在。所以，在高浓度的氧氯化锆（ZrOCl2?8H2O）溶液中，借助加热和搅拌的作用，可以使Y2O3很快获得溶解。溶液中Zr4+和Y3+以离子级的均匀度混合。由于Zr4+和Y3+的沉淀条件比较接近，在受控的沉淀条件下，Zr4+和Y3+可以均匀沉淀下来生成Zr(OH)4和Y(OH)3。沉淀物中基本保证了两组分的均匀性。经过干燥之后，在煅烧过程中，二者转变为氧化物形式，同时Y2O3固溶到ZrO2中形成置换型固溶体，称作YSZ，可用作固体氧化物燃料电池的电解质材料，其组成一般为Y2O3含量8~10mol%。 Y2O3固溶于ZrO2中，根据ZrO2的晶体结构知识可知，在一般情况下按生成的固溶反应式生成YSZ固溶体： 固体电解质材料又叫离子导体，是离子导电性固体的总称，广泛用于氧泵、氢泵、净化和分离气体以及应用于燃料电池。YSZ材料常被用作固体氧化物燃料电池的电解质材料、氧泵和钢水中测氧的氧探头等，所有这些应用中，要求材料中能够进行O2-扩散，按照如上固溶反应式，材料中Y2O3的不等价取代生成了，非常有利于O2-通过其空位进行扩散和传导，从而能够导电。由于低温下，O2-扩散率很低，所以造成电导率很低。只有提高温度，才能降低扩散活化能，加速O2-迁移，从而材料才呈现出具有较高的电导率。 电导率的测量方法之一是采用直流四电极法，其原理是在试样的两端刻出外槽和内槽，外槽与试样端部之间的距离、外槽与内槽之间的距离大约为1~2mm左右即可，既便于缠绕引线，又不致相互接触造成短路。为了减少接触电阻，槽上最好刷上Pt电极。在两个外槽的接线上加上直流稳流电源，电流为I（A）；将两个内槽的引线与电压表连接，测出在恒定电流通过试样时内槽之间的电压降U（V）。测量试条内槽的长L（cm）、宽w（cm）、高h（cm），通过下式就可以计算出材料的电导率σ（S/cm）。 （S/cm） 制得材料之后，通过测定材料弯曲强度、电导率等性能，并进行微观结构分析，对所制得的材料进行综合评价。 1 温度计 1 温度计 2液体 3烧杯 4 磁力搅拌器 5 铁架台 6 磁子 磁搅拌装置图 （一）粉料制备 用400ml烧杯称取氧氯化锆（ZrOCl2?8H2O）60g，称取氧化钇（Y2O3）粉末4.28g，二者在烧杯中用搅拌棒慢慢搅匀，然后缓慢加入50ml去离子水溶解，边加水边搅拌，避免让Y2O3粉末粘到烧杯壁上和搅拌棒上，应全部溶入溶液中呈乳浊状。 231456761. 支架 2.. 支架 3. 支架 4. 电动搅拌器 2 3 1 4 56 7 6 1. 支架 2.. 支架 3. 支架 4. 电动搅拌器 5. 分液漏斗 6. 水桶 7. 搅拌棒 量取约70ml浓氨水，加蒸馏水约260ml，将其稀释至约3N浓度氨水备用。 将电动搅拌机、搅拌棒、小塑料桶、2个分液漏斗、塑料棒、pH试纸准备好，按如下示意图架好，即可制料。 塑料桶中加入800ml去离子水，开电动搅拌机进行慢速搅拌。 在两个分液漏斗中分别加入3N氨水溶液和ZrOCl2?8H2O+Y2O3溶液，缓慢旋转旋塞，ZrOCl2?8H2O+Y2O3溶液以连续成滴的速度、氨水溶液滴入速度稍慢，往塑料桶中同时加入两种溶液。要随时用搅拌棒沾取反应溶液，测定其pH值，以调节氨水溶液滴入速度。在整个反应过程中，维持pH值在8.5左右。反应约需15~20min完成，3N氨水用量大约300ml。 反应完成后，继续搅拌20min。撤除分液漏斗并冲洗。将过滤滤瓶清洗干净，铺上定性滤纸，再铺上滤布。将沉淀液倒入过滤瓶，开水环泵进行抽滤（注意水环泵使用规程，禁止无水开机抽真空）。当滤饼出现裂缝时，真空度下降，滤水速度很慢，必须将其腻严，提高滤水速度。抽干后将滤饼倒入塑料桶，加入大约500ml去离子水进行水洗除去Cl-，用搅拌棒将其搅碎，并加入数滴氨水溶液，调节pH值为8.5。电动搅拌15min使沉淀物料完全分散，再过滤。水洗过程重复2~3次，最后一次抽滤尽可能将水分抽干。 将滤布连同物料一起移入方瓷盘，放入烘箱进行干燥，温度设定为85℃。在干燥过程中，经常用手翻动物料，将其碾碎，以免结成大的硬块，又有利于干燥速度。接近干燥时，将温度调至100℃，继