【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于陶瓷，具体涉及一种具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷及其制备方法。
技术介绍
1、截至目前，已被开发和研究的常用氧离子固态电解质陶瓷主要包括氧化锆基、氧化铈基、镓酸镧基和氧化铋基氧离子固态电解质等，其中前三种电解质电导率比较低，而具有缺陷的萤石型结构的氧化铋基氧离子固态电解质陶瓷拥有较高的氧离子电导率，这主要归因于其晶格中拥有的25％本征氧缺陷。但纯bi2o3在不同温度下具有不同的晶体结构，氧离子电导率较高的萤石型结构bi2o3(δ-bi2o3)稳定的温度区间为730℃～825℃，当温度低于730℃或高于825℃时bi2o3会发生相变或者转变为熔融态。为了使bi2o3能够在常温至o-sofc的工作温度范围内保持稳定的δ-bi2o3相，通常采用元素掺杂的方法拓宽其晶型稳定的温度范围。
2、传统的单元素掺杂或两种元素共掺杂的方法尽管阻止了δ-bi2o3基电解质在低温下的相转变，但其在中低温下的电导率仍需要进一步提升。同时单元素掺杂或者多元素掺杂δ-bi2o3基电解质还存在长期运行稳定性差的问题，在中低温环境下其氧离子电导率会随着时间的增加而逐渐衰减最后趋于稳定，这主要与δ-bi2o3基电解质晶体结构中阴离子亚晶格无序-有序转变有关。目前，还未曾有过对δ-bi2o3基电解质陶瓷材料进行高熵化设计的研究或报道。所谓高熵陶瓷，一般是指由五种及五种以上等摩尔比或近摩尔比元素组成的多主元固溶体陶瓷。根据高熵陶瓷材料的相关报道，借助高熵材料所具有的高混合熵以及迟滞扩散效应，能够提高δ-bi2o3基电解质陶瓷材料的热稳定性
3、针对现有氧离子导体电导率偏低、氧化铋存在相变和晶型转变的现状，本专利技术采用高熵化设计策略，提供一种具有高电导率的((er0.2dy0.2gd0.2zr0.2y0.2)xbi1-x)2o3氧离子固态电解质高熵陶瓷。
技术实现思路
1、基于此，本专利技术提供了一种具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷及其制备方法。本专利技术通过在样品萤石型晶格中引入等摩尔比的五种元素(er、dy、gd、zr和y)，提高样品的构型熵和晶格畸变，从而增加样品的晶格稳定性和氧离子电导率。
2、具体而言，本专利技术是采用以下技术方案实现的：
3、具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷，其特征在于，所述固态电解质高熵陶瓷的结构如下:
4、(er0.2dy0.2gd0.2zr0.2y0.2)xbi1-x)2o3,
5、其中x＝0.1～0.2。
6、优选的，本专利技术所述固态电解质高熵陶瓷具有立方萤石型晶体结构，由不规则多边形晶粒构成。
7、本专利技术具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
8、(1)化学计量比分别称取er2o3粉末、dy2o3粉末、gd2o3粉末、zro2粉末、y2o3粉末和bi2o3粉末，然后将称取的各氧化物粉末进行球磨混合，得到混合粉末；
9、(2)将所述混合粉末置于马弗炉内煅烧，煅烧结束后研磨过筛，得到前驱体粉体；
10、(3)将所述前驱体粉末压制成圆片，将所述圆片至于坩埚中，坩埚底部铺垫所述前驱体粉体，然后置于马弗炉中烧结，得到固态电解质高熵陶瓷。
11、优选的，本专利技术所述步骤(1)中的球磨介质为氧化锆磨球和无水乙醇，其中原料粉末与氧化锆磨球和无水乙醇的质量比为1:(5～6):(5～6)，球磨机转速为300～350rpm，球磨时间为20～24h。在一些实施例中，本专利技术将球磨后的淡黄色浆液进行充分干燥，之后将干燥得到的淡黄色块体研磨成细粉，得到混合粉末。其中干燥温度优选为100～110℃，干燥时间优选为10～12h。
12、优选的，所述步骤(2)马弗炉煅烧温度为500～600℃，煅烧时间为5～6h。
13、在一些实施例中，本专利技术将前驱体粉末在压力为112～135mpa，保压5～15min制成直径10mm、厚度1.5mm的圆片。
14、优选的，步骤(3)中马弗炉烧结温度为800～950℃，保温时间为8～10h。
15、本专利技术的原理：传统的单元素掺杂或两种元素共掺杂的方法尽管阻止了δ-bi2o3基电解质在低温下的相转变，但其在中低温下(≤500℃)的氧离子电导率较低，同时单元素掺杂或者共掺杂δ-bi2o3基电解质还存在长期运行结构稳定性差的问题，本专利技术选用五种离子半径和原子质量各异的元素加入到样品晶格中，能够显著提升样品的构型熵和晶格畸变程度，增加样品萤石型晶格的稳定性，促进氧空位的形成，提高其氧离子电导率。
16、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
17、(1)本专利技术制备的((er0.2dy0.2gd0.2zr0.2y0.2)xbi1-x)2o3氧离子固态电解质高熵陶瓷，采用五种特定的元素等比例掺杂后，其在500℃下的最高氧离子电导率(4.05×10-2s/cm)较传统的掺杂bi2o3基陶瓷、ceo2基陶瓷和氧化钇稳定氧化锆陶瓷等氧离子固态电解质陶瓷提升了一至两个数量级(8.24×10-4s/cm～6.29×10-3s/cm(500℃))。
18、(2)本专利技术制备的((er0.2dy0.2gd0.2zr0.2y0.2)xbi1-x)2o3氧离子固态电解质高熵陶瓷在500℃下长时间保温后(100h)，其相结构保持稳定，无其它相生成。
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1.一种具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷，其特征在于，所述固态电解质高熵陶瓷的结构如下:
2.根据权利要求1所述具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷，其特征在于，所述固态电解质高熵陶瓷具有立方萤石型晶体结构，由不规则多边形晶粒构成。
3.根据权利要求1或2所述具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的球磨介质为氧化锆磨球和无水乙醇，其中原料粉末与氧化锆磨球和无水乙醇的质量比为1:(5～6):(5～6)，球磨机转速为300～350rpm，球磨时间为20～24h。
5.根据权利要求3所述具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)马弗炉煅烧温度为500～600℃，煅烧时间为5～6h。
6.根据权利要求1所述具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷的制备方法，其特征在于，步骤(3)中马弗炉烧结温度为800～950℃，保温时间为8～10h。
【技术特征摘要】
1.一种具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷，其特征在于，所述固态电解质高熵陶瓷的结构如下:
2.根据权利要求1所述具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷，其特征在于，所述固态电解质高熵陶瓷具有立方萤石型晶体结构，由不规则多边形晶粒构成。
3.根据权利要求1或2所述具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述具有高电导率的固态电解质高熵陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的球磨介质为氧...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟彬，张文龙，平鑫宇，王昊，王贝儿，邵丫轩，覃梦霞，潘荣诚，陈文慧，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：
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