探究不同稀土元素掺杂对CaHfO_(3)化学稳定性和电化学性能的影响

作者：张凤龙; 王觅堂; 包金小^*; 王晓丽; 马胜梅; 张世忠; 刘永刚

来源：中国稀土学报, 2023, 1-21.

• 铪酸钙
• 质子导体
• 氢传感器
• 化学稳定性
• 电化学性能

为了寻求更高效、测量精度准确的电化学氢传感器电解质，采用高温固相法在1923K保温10h成功制备了不同稀土元素掺杂的CaHf0.82Ln0.18O3-δ (Ln= Dy， Ho， Er， Tm， Lu)固体氧化物电解质，对CaHf0.82Ln0.18O3-δ电解质的相组成、烧结性能、化学稳定性、H/D同位素效应以及电化学性能进行系统研究。XRD测试结果表明CaHf0.82Ln0.18O3-δ具有单一钙钛矿结构，未检测到原始氧化物出现，且属于正交晶系，该系列电解质试样的相对密度均高于98%。相对密度以及晶粒统计结果表明稀土元素Lu3+掺杂CaHfO3具有最好的烧结性能。另外，CaHf0.82Ln0.18O3-δ系列电解质在富含50%H2、50%CO2、10%水蒸气以及沸水中长时间处理(100h)不会发生分解反应，处理前后XRD衍射峰未发生明显变化，表明该系列电解质具有出色的化学稳定性。在973～1373K且Wet O2气氛中时，CaHf0.82Ln0.18O3-δ总电导率呈现出随着掺杂稀土元素离子半径的减小而逐渐增加的变化趋势。CaHf0.82Lu0.18O3-δ表现出最好的物理及电化学性能，其电导率在Wet O2中为1.61×10-6～1.82×10-4 S/cm，这要归咎于优异的高温化学稳定性、致密性以及最佳的晶体结构。测试温度为973～1173K且富H2与D2气体环境中，RD/RH的值均大于1.30，即表明在这一测试温度范围内质子作为主要导电载流子参与导电过程。综上所述，CaHf0.82Ln0.18O3-δ电解质是一种非常有前景的高温电解质材料，进一步为CaHfO3系列电解质在电化学氢传感器的广泛应用提供充分理论支持以及奠定深厚基础。

• 单位
  上海理工大学; 内蒙古科技大学; 包头职业技术学院