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钛酸铋钠体系氧离子电导率与晶体平均/局域结构的相关性研究

批准号:
52072239
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
杨帆
依托单位:
学科分类:
功能陶瓷
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
杨帆

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
钛酸铋钠(NBT)是一种新型氧离子导体,在中温固态氧化物燃料电池等领域具有广泛应用潜力。目前受困于受主离子在NBT中的固溶度过低,平均结构、局域结构及掺杂离子特性对氧离子传导的关键影响机制尚未准确描述,材料设计依据匮乏。针对此问题,本项目提出通过NBT固溶体分别在A、B位引入较多掺杂离子,有效“放大”平均结构与局域结构的变化。利用不同氧分压下的交流阻抗谱结合电动势测量揭示电导机理与电导率,建立缺陷化学模型,阐明A、B位掺杂离子与氧空位相互作用机制;利用高温XRD、中子衍射及拉曼光谱揭示固溶体的晶体结构、鞍点关键半径、晶胞自由体积等平均结构参数以及八面体倾斜角、金属-金属及金属-氧键长、键角、配位数等局域结构参数随成分与温度的变化规律;通过耦合电学性能与结构信息建立氧离子电导率与各结构参数的定量关系,揭示影响氧离子传导的关键因素,为发展基于NBT的新型氧离子导体提供缺陷化学设计的理论依据。
英文摘要
Sodium bismuth titanate, NBT, is a recently discovered oxide-ion conductor. It has great potential as electrolyte for intermediate-temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs). Limited by the extremely low solubility of acceptor-type dopants in NBT, it is difficult to reveal the impact of average and local crystal structure, as well as the characteristics of dopants (i.e., ionic size, polarizability, bonding-strength) on the oxide-ion conduction. This project aims to solve the above problem by utilizing NBT-based solid solutions to introduce large amount of acceptor-type dopants into NBT to magnify the variation of average and local structure. The conduction mechanism and the oxide-ion conductivity of the solid solutions will be investigated by impedance spectroscopy under various pO2 combined with electromotive force (EMF) to establish the defect chemistry model and to reveal the interaction mechanism between A- or B-site dopants and oxygen vacancies. Variable-temperature XRD (both laboratory and synchrotron high-energy X-ray), neutron powder diffraction (NPD) and Raman spectroscopy will be employed to investigate the average structure parameters (i.e., crystal structure, critical radius at the saddle point and specific free volume), as well as the local structure parameters (i.e., octahedral tilting angle, length, angle and coordination number of metal-metal and metal-oxygen bonds). Couple the electrical properties and the structural information to explore the relationship between oxide-ion conductivity and each structural parameter to reveal the key factor(s) that influence(s) the oxygen migration in NBT. Completion of this project will provide strategy for developing NBT-based oxide-ion conductors with high conductivity by defect chemistry design.
钛酸铋钠(Na0.5Bi0.5TiO3, NBT)是有希望取代锆钛酸铅的无铅压电陶瓷,也是最近发现的新一族氧离子导体,在陶瓷多层电容器、压电/铁电器件以及中温固体氧化物燃料电池等领域有巨大的应用潜力。由于不同应用对材料的电导率和载流子有不同的要求,需要相应的对氧离子在晶格中的传导进行抑制或者促进,因此必须明确影响氧离子传导的关键因素,建立成分-缺陷-结构-电导率之间的关系。本项目以NBT基陶瓷为研究对象,通过A、B位掺杂获与其他钙钛矿形成固溶体,利用XRD(实验室X-ray与同步辐射)、中子衍射等研究晶体平均结构与缺陷局域结构随成分和缺陷的变化规律;利用不同氧分压下的交流阻抗测试结合电动势测量揭示电导机理,建立材料的缺陷化学模型,阐明A、B 位掺杂离子与氧空位相互作用机制,揭示离子特性参数与束缚氧空位能力的关系。通过耦合电学性能与结构信息建立氧离子电导率与各结构参数的定量关系。本项目获得的重要结论如下:(1)TiO2晶型影响固态反应生成NBT过程中间产物Bi12TiO20的生成,对NBT的导电性具有重大影响。为获得氧离子导电型NBT应选用金红石相TiO2,为获得介电体型NBT应选用锐钛矿相TiO2.(2)当受主掺杂量极低时,NBT介电体的导电性受到缺陷化学和微观结构的协同作用。(3)与晶体平均结构相比,缺陷的局域结构对NBT中氧离子导电性有决定性的影响。B位受主离子对氧空位的束缚降低载流子的迁移率,不利于氧离子传导。(4)过渡金属离子能够在NBT中引入电子电导,将NBT从氧离子导体变为离子-电子混合导体,但电子电导率的提升总是伴随着离子电导率的削弱,在NBT中获得高混合电导率仍然面临挑战。以上结果拓展了现有对NBT基陶瓷电学性能的认知,发现了新型的第二类和第三类电学行为,为按应用需求调控载流子和电导率奠定了理论基础。
掺杂TiO2-δ液液分离凝固及其电催化硝酸根还原合成氨特性
  • 批准号:
    52374391
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    杨帆
  • 依托单位:
CDK13突变通过POLR2A异常磷酸化导致神经元轴突生长障碍的机制研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    30万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    杨帆
  • 依托单位:
Glycine-PVA压电生物有机薄膜力-电映射关系与实验研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    30万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    杨帆
  • 依托单位:
Glycine-PVA压电生物有机薄膜力—电映射关系与实验研究
  • 批准号:
    12202276
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    30.00万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    杨帆
  • 依托单位:
国内基金
海外基金