钙钛矿型复合氧化物材料

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钙钛矿型复合氧化物材料

钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体结构,尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能,被应用或可

被应用在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧

化还原催化剂等诸多领域,成为化学、物理和材料等领域的研究热点[1～4] 。

1　钙钛矿结构

钙钛矿型复合氧化物因具有天然钙钛矿(ＣａＴｉＯ 3)结构而命名,与之相似的结构有正交、

菱方、四方、单斜和三斜构型。标准钙钛矿结构中,Ａ2+和Ｏ 2＿离子共同构成近似立方密堆

积,Ａ离子有 12 个氧配位,氧离子同时有属于 8个ＢＯ 6八面体共享角,每个氧离子有 6个阳离子

(4 Ａ～2Ｂ)连接,Ｂ2+离子有 6个氧配位,占据着由氧离子形成的全部氧八面体空隙。钙钛矿结

构的对称性较同种原子构成的最紧密堆积的对称性低,Ａ、Ｂ离子大小匹配。各离子半径间满足

下列关系:

其中ＲＡ、ＲＢ、ＲＯ分别为Ａ离子、Ｂ离子和Ｏ 2-离子的半径,但也存在不遵循该式的结

构, 可由Ｇｏｌｄｓｃｈｍｉｄｔ容忍因子ｔ来度量:

理想结构只在ｔ接近 1或高温情况下出现,多数结构是它的不同畸变形式,这些畸变结构在高

温时转变为立方结构,当ｔ在 0.77～1.1,以钙钛矿存在;ｔ<0.77,以铁钛矿存在;ｔ>1.1 时以方解石

或文石型存在。

2　钙钛矿型氧化物材料的研究进展

标准钙钛矿中Ａ或Ｂ位被其它金属离子取代或部分取代后可合成各种复合氧化物,形成阴离子

缺陷或不同价态的Ｂ位离子, 是一类性能优异、用途广泛的新型功能材料。

2.1　固体氧化物燃料电池(ＳＯＦＣ)材料

钙钛矿氧化物燃料电池ＳＯＦＣ有以下优点:(1)全固态结构,不存在液态电解质所带来的腐蚀

和电解液流失等问题;(2)无须使用贵金属电极,电池成本大大降低;(3)燃料适用范围广;(4)燃料可

以在电池内部重整。通过电极材料中的掺杂来提高活性,优化碱锰电池的充放电性能(参见表

1)。用含锰的钙钛矿氧化物作为碱性溶液中的阴极材料,获得了好的结果。因为元素锰的ｄ电子

结构在锰的三价和四价两种氧化物之间快速传递,表现出很高的电子导电性及良好的电极可充性

[5]。通过掺杂Ｐｂ、Ｃｏ、Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ等元素的复合钙钛矿结构,获得掺杂后的改性电

极材料, ―Ｐｂ的掺入会对ＭｎＯ的成键状态和ＭｎＯ2晶格内的结晶水产生影响,使Ｍｎ 2ｐ

3.2 能级产生化学位移,结合能增大, ―ＭｎＯ离子性增加,共价性减小。经过对改性电极的充放电

机理实验,纳米掺杂后电池的放电容量提高 40%以上[6]。Ｌａ1-ｘＳｒｘＦｅ1-ｙＣｏｙＯ3

作为一种混合导体材料,具有优良的电子导电性能和离子导电性能,与Ｌａ0.9 Ｓｒ0.1 Ｃａ 0.8

Ｍｇ 0.2 Ｏ3、Ｃｅ0.9 Ｇｄ 0.1 Ｏ1.95 等新一代中温固体氧化物电解质有很好的相容性。因此,

Ｌａ1-ＸＳｒｘＦｅ1-ｙＣｏｙＯ3体系材料是一种很有发展前景的中温ＳＯＦＣ阴极材料

[7]。Ｍａｔｈｅｒ等[8] 用硝酸盐与尿素熔融燃烧法制备了金属阳极陶瓷材料ＮｉＳｒＣｅ0.9

Ｙｂ 0.1 Ｏ3-δ,实验结果表明Ｃｏ的加入可降低烧结温度,可获得高的阳极孔隙率有利于阳极和

电解质的吸附, 经分析阳极上的亚微孔结构微粒由镍和钙钛矿粒子组成。

然而,现有钙钛矿型复合氧化物的离子电导率低,高温下呈现电子或氧离子导电性。在燃料电

池应用研究中,高温下器件可稳定运行,但器件的效率或功率较低。以钙钛矿型复合氧化物为电

解质时,须在大于 700℃的高温下使用。因此,离子导电性高、温度使用范围宽的固体电解质及电

极材料研究是今后的主要目标。现有的基质材料ＭｎＣｅＯ3因稳定性和机械强度的问题,实现

实用化仍存在一定难度;基质材料ＭｎＺｒＯ3虽具有较高的稳定性和机械强度,但材料离子电

导率低, 其燃料电池的功率很难满足要求。

2.2　钙钛矿锰氧化物磁制冷材料

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摘要：

钙钛矿型复合氧化物材料钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体结构,尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能,被应用或可被应用在固体燃料电池、固体电解质、传感器、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧化还原催化剂等诸多领域,成为化学、物理和材料等领域的研究热点[1～4]。1　钙钛矿结构钙钛矿型复合氧化物因具有天然钙钛矿(ＣａＴｉＯ3)结构而命名,与之相似的结构有正交、菱方、四方、单斜和三斜构型。标准钙钛矿结构中,Ａ2+和Ｏ2＿离子共同构成近似立方密堆积,Ａ离子有12个氧配位,氧离子同时有属于8个ＢＯ6八面体共享角,每个氧离子有6个阳离子(4Ａ～2Ｂ)连接,Ｂ2+离子有6个氧配位,占据着由氧离子形成的全部氧...

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