[发明专利]采用微波等离子体制备饱和氮杂硅酸镧固体电解质薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用微波等离子体制备饱和氮杂硅酸镧固体电解质（La_10-XSi₆N_0.13O_26.81-1.5X（X=0.00～0.67））薄膜的方法。

背景技术

目前，在清洁能源领域，固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）的研究已成为热点。在阳极储氢材料取得较大突破的前提下，大力开发具有优良氧离子电导的固体电解质材料就显的格外重要。固体电解质是SOFC中的关键部件，起着隔离反应气体和输送氧离子的重要作用，其电导性能的大小与好坏直接影响电池的性能。传统的氧化锆(YSZ)固体电解质，由于在高温下工作，导致了材料的缓慢分解与腐蚀、相间扩散、制备工艺复杂、成本过高等缺点，制约了其大规模的应用。后来，中低温下具有高离子电导率的萤石型CeO₂基、Bi₂O₃基和钙钛矿类电解质相继出现。但是，它们仍存在以下难以解决的问题：CeO₂基和掺杂Bi₂O₃基电解质材料工作温度范围窄，在低氧分压和还原气氛下容易产生引起短路通道的电子电导；钙钛矿类电解质材料主要存在烧结性能差，电解质与电极材料的相容性差等问题。

硅酸镧（La_10-x(SiO₄)₆O_2-3x/2，X=0.00～0.67，以下简称LSO）是一种新型固体电解质材料，在中低温下具有较低的传导活化能和高的氧离子传输性能，可以在较大的氧分压范围下正常工作，材料稳定性好，对电极和连接材料兼容性好。研究表明，通过对LSO进行掺杂，提高其间隙氧浓度，可以改善它的电导性能。然而，目前对于LSO的掺杂研究仅限于金属阳离子，而且这种阳离子掺杂对于LSO的电导性能的改善效果有限。现有的高温固相，溶胶-凝胶等方法，也均不能实现对O^2-阴离子的取代掺杂。因此，寻找出新的、稳定的阴离子掺杂方法，对实现LSO的大幅电导性能提高具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术所提出的一种采用微波等离子体制备饱和氮杂硅酸镧固体电解质薄膜的方法，实现对硅酸镧O^2-阴离子的取代掺杂，达到增强硅酸镧固体电解质的电导性能的目的。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：采用微波等离子体制备饱和氮杂硅酸镧固体电解质薄膜的方法，包括有以下步骤：

1）按照摩尔比为正硅酸乙酯（TEOS）：La₂O₃=12：9.33～10.00取TEOS和La₂O₃，向TEOS和La₂O₃中加入乙醇和硝酸加热溶解，再加入去离子水制成混合溶液；

2）用氨水调节步骤1）的混合溶液pH值至4～6，加热搅拌，经80℃～90℃水浴加热2h得到均匀溶胶；

3）将步骤2）所得均匀溶胶旋涂在干燥洁净的玻璃片上，在90℃～100℃下干燥24h，得到凝胶薄膜；

4）将步骤3）所得凝胶薄膜放入马弗炉中在750℃～800℃煅烧10～12h，退火，得到初级薄膜；

5）将步骤4）所得初级薄膜放入微波等离子体化学气相沉积装置中，抽真空，控制反应压力在1.0KPa～5.0KPa，开通氮气，微波功率500～800 W、反应时间30min～40min，得到反应后的次级薄膜；

6）将步骤5)得到的次级薄膜，进行烧结，即得饱和氮杂硅酸镧固体电解质薄膜。

按上述方案，步骤6）所述的烧结工艺是在1100℃～1200℃保温10～12h。

按上述方案，所述的氮气的质量百分比浓度不小于99.99%。

按上述方案，步骤3）所述的玻璃片是采用下述处理方法所得：使用质量浓度75%的酒精浸泡超过48小时，经去离子水洗涤3次以上，晾干2h。