一種質子導電陶瓷電解質薄膜的制備方法技術

本發明專利技術提供了一種在電極支撐體上制備質子導電陶瓷電解質薄膜的方法，所述陶瓷電解質薄膜的制備步驟包括：(1)配制電解質前驅體溶膠或電解質漿料，將該電解質前驅體溶膠或電解質漿料沉積在電極支撐體上，干燥、煅燒處理后獲得通孔結構的電解質多孔骨架層；(2)配制低粘度電解質前驅體溶膠，將低粘度電解質前驅體溶膠沉積在電解質多孔骨架層上，煅燒處理后實現多孔骨架層孔洞的填充；(3)填充后的電解質多孔骨架層經過900-1200℃燒結處理，最后獲得致密的質子導電陶瓷電解質薄膜。本方法制備陶瓷電解質薄膜具有工藝簡易、成本低、成膜溫度低等優點，制備的陶瓷電解質薄膜厚度在1-50微米范圍內可控，薄膜均勻致密。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術公開了，具體涉及鈣鈦礦型ABO3陶瓷電解質薄膜的制備。
技術介紹
稀土摻雜的鈣鈦礦型ABhMxCVs (A = Sr，Ba, Ca ；B = Ce，Zr ;M =稀土摻雜元素)陶瓷在中高溫￠00-8001:)具有高質子電導率，這類材料在固體氧化物燃料電池、氫傳感器、電解水制氫、常壓下制氨、氫分離提純等領域有廣泛的應用[H.1wahara, T.Esaka,H.Uchinda, N.Maeda, Solid State 1nics 3/4 (1981) 359]。固體電解質厚度的減小能夠有效降低電解質內阻，從而顯著提高電解質質子輸送效率和電化學裝置的輸出功率。因此，對電極支撐體上致密均勻陶瓷電解質薄膜制備技術的研究開發具有十分重要的應用意義。目前陶瓷電解質薄膜的制備方法主要有流延法、漿料涂覆法、化學氣相沉積法、磁控濺射法和等離子噴涂等。但上述方法都具有各自的局限性，例如流延法和漿料涂覆法難以獲得厚度小的致密陶瓷電解質薄膜，薄膜燒結溫度過高(1300-160(TC);化學氣相沉積法原料成本高，薄膜成分控制困難；磁控濺射法鍍膜設備復雜，薄膜制備成本較高；等離子噴涂則難以制備厚度小于50微米的致密薄膜。近些年來，前驅體溶膠技術作 為一種制備陶瓷電解質薄膜的新技術受到了廣泛的關注。CN200410025093.X公開了一種利用硝酸鹽前驅體溶膠制備稀土摻雜鈰酸鍶薄膜的方法。該方法利用乙二醇與金屬陽離子絡合形成電解質前驅體溶膠，然后通過旋涂法在襯底表面沉積薄膜，900°C燒結處理后可以獲得致密均勻的鈰酸鍶納米晶薄膜。與傳統工藝相t匕，前驅體溶膠法制備陶瓷電解質薄膜具有工藝簡易、熱處理溫度低、化學成分易于控制的優點，但該方法的局限性在于單次鍍膜厚度小(50-100納米/次)，需多次重復涂覆，因此工藝過程耗時長、能源消耗大。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種高效、低成本的質子導電陶瓷電解質薄膜制備方法，降低陶瓷電解質薄膜的制備溫度，獲得厚度可控、致密均勻的陶瓷電解質薄膜材料。為實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案:本專利技術所述質子導電陶瓷電解質薄膜的成分為AB1JMxCVs,其中，A為Sr、Ba或Ca ；B為Ce或Zr ;M為稀土摻雜元素,摻雜量x為0-0.3,且x關O,所述稀土摻雜元素為Yb、Y、Gd、La、Sc、Nd、Sm、Eu、Dy 中的一種或幾種。所述質子導電陶瓷電解質薄膜的制備步驟如下:(I)配制電解質前驅體溶膠或電解質漿料，將該電解質前驅體溶膠或電解質漿料沉積在電極支撐體上，對電解質沉積層進行干燥處理后，通過空氣氣氛下800-1100°C煅燒后獲得電解質多孔骨架層；(2)配制低粘度電解質前驅體溶膠，將該低粘度電解質前驅體溶膠沉積在電解質多孔骨架層上，通過空氣氣氛下800-1100°C煅燒完全排除低粘度電解質前驅體中的氣體揮發物，實現電解質多孔骨架層的孔洞填充；(3)將步驟⑵得到的填充后的電解質多孔骨架層在900-1200°C燒結1_20小時，即得到致密的質子導電陶瓷電解質薄膜。所述的質子導電陶瓷電解質薄膜的制備方法，在所述步驟(I)中，得到的電解質多孔骨架層厚度決定該質子導電陶瓷電解質薄膜的厚度；在所述步驟(2)中，用低粘度電解質前驅體溶膠填充多孔骨架層孔洞的過程不會增加該質子導電陶瓷電解質薄膜的厚度。所述的質子導電陶瓷電解質薄膜的制備方法，在所述的步驟(I)中，所述的電解質前驅體溶膠的配制過程是，先按電解質成分的化學計量比配制電解質前驅體溶液，電解質前驅體溶液為硝酸A、硝酸B和硝酸M的硝酸鹽水溶液，該硝酸鹽水溶液的初始濃度為l-2mol/L ;加入至少一種選自乙二醇和檸檬酸的絡合劑；加熱該硝酸鹽水溶液形成電解質前驅體溶膠，該電解質前驅體溶膠粘度為lOO-lOOOcp。所述的質子導電陶瓷電解質薄膜的制備方法，在所述的步驟(I)中，電解質漿料的制備過程是，先制備電解質漿料粉體，電解質漿料粉體由現有的陶瓷粉體制備方法:固相反應法、共沉積、溶膠凝膠法、燃燒法中的任意一種方法獲得；再將獲得的電解質粉體和溶劑混合，制成電解質粉體在漿料中的含量為200-1000g/L的電解質漿料，溶劑選自乙醇、丙酮、異丙醇、去離子水中的一種。 所述的質子導電陶瓷電解質薄膜的制備方法，在所述的步驟(I)中，制得的電解質多孔骨架層是由電解質顆粒堆積形成通孔結構，其厚度為1-50微米；為保證質子導電陶瓷電解質薄膜的連續和均勻性，電解質多孔骨架層的厚度大于5倍質子導電陶瓷電解質薄膜顆粒平均尺寸。所述的質子導電陶瓷電解質薄膜的制備方法，在所述的步驟(2)中，所述的低粘度電解質前驅體溶膠的配制過程是，先按電解質成分的化學計量比配制低濃度電解質前驅體水溶液，低濃度電解質前驅體水溶液為硝酸A、硝酸B和硝酸M的低濃度硝酸鹽水溶液，該低濃度硝酸鹽水溶液的初始濃度為0.5-lmol/L ;加入至少一種選自乙二醇和檸檬酸的絡合劑；加熱該低濃度硝酸鹽水溶液形成低粘度電解質前驅體溶膠，該低粘度電解質前驅體溶膠粘度為50-500cp。所述的質子導電陶瓷電解質薄膜的制備方法，所述的步驟(I)中的電解質前驅體溶膠的粘度大于步驟(2)中的低粘度電解質前驅體溶膠的粘度。所述的質子導電陶瓷電解質薄膜的制備方法，獲得電解質多孔骨架層的過程是，將電解質前驅體溶膠沉積在電極支撐體上，對電解質沉積層進行干燥處理，干燥處理的溫度為300°C -400°C，干燥處理的時間為15分鐘-20分鐘，其中，沉積和干燥進行多次，沉積和干燥的循環次數以對電解質多孔骨架層的平均尺寸厚度的要求為準，最后在空氣氣氛下800-1100°C煅燒1 .5小時-3小時后獲得電解質多孔骨架層。所述的質子導電陶瓷電解質薄膜的制備方法，獲得電解質多孔骨架層的過程是，將電解質漿料沉積在電極支撐體上，對電解質沉積層進行干燥處理，干燥處理的溫度為800C _120°C，干燥處理的時間為15分鐘-20分鐘，再在空氣氣氛下800-900°C煅燒10分鐘-15分鐘，其中，沉積、干燥和煅燒進行多次，沉積、干燥和煅燒的循環次數以對電解質多孔骨架層的平均尺寸厚度的要求為準，最后在空氣氣氛下900-1100°C煅燒2小時-5小時后獲得電解質多孔骨架層。所述的質子導電陶瓷電解質薄膜的制備方法，實現電解質多孔骨架層的孔洞填充的過程是，將該低粘度電解質前驅體溶膠沉積在電解質多孔骨架層上，干燥處理，干燥處理的溫度為120°C _130°C，干燥處理的時間為15分鐘-20分鐘，再在空氣氣氛下800-1100°C煅燒10分鐘-20分鐘，其中，沉積、干燥和煅燒進行多次，沉積、干燥和煅燒的循環次數以實現電解質多孔骨架層的孔洞填充的要求為準。所述的質子導電陶瓷電解質薄膜的制備方法，實現電解質多孔骨架層的孔洞填充的過程是，將該低粘度電解質前驅體溶膠沉積在電解質多孔骨架層上，在空氣氣氛下800-1100°C煅燒10分鐘-20分鐘，其中，沉積和煅燒進行多次，沉積和煅燒的循環次數以實現電解質多孔骨架層的孔洞填充的要求為準。本專利技術首先采用電解質前驅體溶膠或電解質漿料制備具有通孔結構的多孔骨架層；然后采用電解質前驅體溶膠對多孔骨架層孔洞進行填充，溶膠在毛細管力作用下可以充分浸潤多孔骨架層孔洞；最終通過燒結獲得致密質子導電陶瓷電解質薄膜。圖1給出了本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種質子導電陶瓷電解質薄膜的制備方法，其制備步驟包括：(1)配制電解質前驅體溶膠或電解質漿料，將該電解質前驅體溶膠或電解質漿料沉積在電極支撐體上，對電解質沉積層進行干燥處理后，通過空氣氣氛下800?1100℃煅燒后獲得電解質多孔骨架層；(2)配制低粘度電解質前驅體溶膠，將該低粘度電解質前驅體溶膠沉積在電解質多孔骨架層上，通過空氣氣氛下800?1100℃煅燒完全排除低粘度電解質前驅體中的氣體揮發物，實現電解質多孔骨架層的孔洞填充；(3)將步驟(2)得到的填充后的電解質多孔骨架層在900?1200℃燒結1?20小時，即得到致密的質子導電陶瓷電解質薄膜。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李帥，張超，劉曉鵬，王樹茂，蔣利軍，
申請(專利權)人：北京有色金屬研究總院，
類型：發明
國別省市：