陳昌梅,王洪濤,孫 林,喬 瑞,趙愛(ài)俠,劉 珍

(1.阜陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236041；2.安徽環(huán)境污染物降解與監(jiān)測(cè)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 阜陽(yáng) 236041)

Zn2+摻雜的TiP2O7基復(fù)合陶瓷的電性能*

陳昌梅1,2,王洪濤1,2,孫 林1,2,喬 瑞1,2,趙愛(ài)俠1,2,劉 珍1,2

(1.阜陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，安徽 阜陽(yáng) 236041；2.安徽環(huán)境污染物降解與監(jiān)測(cè)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 阜陽(yáng) 236041)

以氧化鋅、二氧化鈦和濃磷酸為基本原料，用傳統(tǒng)的固相合成法合成了新型的固體電解質(zhì)材料Zn2+摻雜的TiP2O7-TiO2復(fù)合陶瓷(摩爾分?jǐn)?shù)5% Zn2+)，對(duì)合成的復(fù)合陶瓷進(jìn)行紅外光譜、激光粒度儀器測(cè)定，并且測(cè)定了電導(dǎo)率隨實(shí)驗(yàn)條件的變化規(guī)律.紅外結(jié)果表明，在樣品的結(jié)構(gòu)式中存在鈦氧鍵、磷氧鍵等，激光粒度測(cè)試表面在一定范圍內(nèi)粒徑分布集中.電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果表明，在100～300 ℃內(nèi)，電導(dǎo)率隨著溫度的升高而增大，300 ℃時(shí)達(dá)到最大值4.3×10-3S·cm-1.

焦磷酸；復(fù)合陶瓷；電導(dǎo)率；電解質(zhì)

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1樣品制備

圖1 復(fù)合陶瓷的制備流程

用固相法合成Zn2+摻雜的TiP2O7-TiO2復(fù)合陶瓷(5 mol% Zn2+).分別稱量所需量的氧化鋅、二氧化鈦與淀粉充分混合，用無(wú)水乙醇為介質(zhì)進(jìn)行濕式研磨約15 min，再經(jīng)行星式球磨機(jī)球磨約6 h后，用紅外燈照射烘干.將粉末稱量后進(jìn)行壓片，在1 000 ℃保溫2 h，得到具有一定孔隙的TiO2.將其浸泡在85%H3PO4中1 d，再于馬弗爐中加熱至600 ℃保溫1 h，得到Zn2+摻雜的TiP2O7-TiO2復(fù)合陶瓷(5 mol% Zn2+).復(fù)合陶瓷的制備如圖1所示.

1.2樣品的表征及中溫電性能測(cè)試

取少量樣品用WQF-510型傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)樣品在常溫進(jìn)行分析，得到關(guān)于樣品的紅外光譜圖.使用美國(guó)布魯克海文儀器公司生產(chǎn)的90Plus激光粒度儀進(jìn)行復(fù)合陶瓷的晶粒粒徑測(cè)試.將得到Zn2+摻雜的TiP2O7-TiO2復(fù)合陶瓷取出，用砂紙磨到厚度為0.2 mm，正反面均畫直徑為8 mm的圓，并均勻涂上銀鈀漿料，在紅外燈下干燥約 15 min，用于電性能測(cè)試.用CHI600E系列電化學(xué)分析儀/工作站測(cè)定樣品在不同溫度下的阻抗譜，測(cè)試溫度區(qū)間為100～300 ℃.

2 結(jié)果與討論

2.1紅外光譜及激光粒度分析

圖2 復(fù)合陶瓷的紅外光譜

2.2電導(dǎo)率測(cè)定分析

經(jīng)CHI600E系列電化學(xué)分析儀/工作站分析，得出復(fù)合陶瓷在干燥空氣氣氛下的電導(dǎo)率變化圖如圖3所示.由圖3可看出，在樣品測(cè)試溫度為100～300 ℃，樣品的電導(dǎo)率隨著溫度升高而逐漸升高[4]，當(dāng)溫度達(dá)到300 ℃時(shí)，電導(dǎo)率達(dá)到最大值，為4.3×10-3S·cm-1.Zn2+摻雜的TiP2O7-TiO2復(fù)合陶瓷電導(dǎo)率低于SnP2O7-SnO2復(fù)合陶瓷[9-12]；這可能由于初次燒結(jié)溫度過(guò)高，導(dǎo)致孔隙少及缺少連貫性，使多孔性底物不能充分與磷酸反應(yīng).這可以通過(guò)降低燒結(jié)溫度、增加造孔劑含量等措施加以改進(jìn).

復(fù)合陶瓷隨溫度改變，分別在175，225 ℃得到的交流阻抗譜如圖4所示.由圖4可看出，當(dāng)溫度升高時(shí)，R(225 ℃)R(175 ℃).本體電阻R可從半圓與水平軸的高頻交點(diǎn)讀出.由圖4可知，溫度的增加可導(dǎo)致極化阻抗及電解質(zhì)阻抗明顯下降.

圖3 干燥空氣氣氛下100～300 ℃的電導(dǎo)率曲線

圖4 175，225 ℃溫度下交流阻抗譜圖

3 結(jié)論

[1] GENZAKI K,HEO P,SANO M,et al.Proton Conductivity and Solid Acidity of Mg-,In-,and Al-Doped SnP2O7[J].J. Electrochem Soc.,2009,156(7):B806-B810.

[2] WANG Hongtao,ZHANG Hongmin,XIAO Gia,et al.Ionic Conduction in Sn1-xScxP2O7for Intermediate Temperature Fuel Cells[J].J. Power Sources,2011,196:683-687.

[3] MATSUDA A,KANZAKI T,TATSUMISAGO M,et al.Comparison of Structure and Proton Conductivity of Phosphosilicate Gels Derived from Several Kinds of Phosphorus-Containing Compounds[J].Solid State Ionics,2001,145:161-166.

[4] NAGAO M,KAMIYA T,HEO P,et al.Proton Conduction in In3+-Doped SnP2O7at Intermediate Temperatures[J].J. Electrochem Soc.,2006,153(8):A1 604-1 609.

[5] LAPINA A,CHATZICHRISTODOULOU C,HALLINDER J,et al.Electrical Conductivity of Titanium Pyrophosphate Between 100 and 400 ℃:Effect of Sintering Temperature and Phosphorus Content[J].J. Solid State Electrochem,2014,18:39-47.

[6] TANIMOTO S,HIRUKAWA S,SHIRAI T,et al.Shell-Core Type Proton Conducting TiP2O7-Based Solid Electrolytes[J].Key Eng. Mat.,2009,388:57-60.

[7] NALINI V,SORBY M H,AMEZAWA K,et al.Structure,Water Uptake,and Electrical Conductivity of TiP2O7[J].J. Am. Ceram. Soc.,2011,94:1 514-1 522.

[8] NALINI V,HAUGSRUD R,NORBY T.High-Temperature Proton Conductivity and Defect Structure of TiP2O7[J].Solid State Ionics,2010,181:510-516.

[9] SHEN Y B,NISHIDA M,KANEMATSU W,et al.Synthesis and Characterization of Dense SnP2O7-SnO2Composite Ceramics as Intermediate-Temperature Proton Conductors[J].J. Mater. Chem.,2011,21:663-670.

[10] SATO Y,SHEN Y B,NISHIDA M,et al.Proton Conduction in Non-Doped and Acceptor-Doped Metal Pyrophosphate (MP2O7) Composite Ceramics at Intermediate Temperatures[J].J. Mater. Chem.,2012,22:3 973-3 981.

[11] WANG Hongtao,SUN Lin,CHEN Jitang,et al.Electrical Conduction of Dense Ga3+-Doped SnP2O7-SnO2Composite Ceramic at Intermediate Temperatures[J].Ceram. Int.,2014,40:3 743-3 746.

[12] WANG Hongtao,CHEN Jitang,QIAO Rui.Studies on Ionic Conductivity of Dense 6 mol% Sc3+-Doped SnP2O7-SnO2Composite Ceramic at Intermediate Temperatures[J].Ceram. Int.,2014,40:8 465-8 468.

[13] 吳邵艷,張升暉,吳 亮.焦磷酸鈉對(duì)魔芋葡甘聚糖脂化交聯(lián)改性研究[J].食品科技,2005(2):61-63.

[14] 趙 杰,高曉明,史春英,等.氮磷膨脹型阻燃劑的制備及不同粒徑性能的研究[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè),2010,42(12):26-28.

[15] 李少燕,鐘恒文,韋志明,等.三磷酸鋁的傅里葉變換紅外光譜分析[J].理化檢驗(yàn)：化學(xué)分冊(cè),2009,45(7):18-20.

[16] 賴元明,梁曉峰,錢 斌,等.氧化釓對(duì)鐵磷酸鹽玻璃結(jié)構(gòu)的影響[J].無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào),2012,28(4):721-726.

(責(zé)任編輯 向陽(yáng)潔)

ElectricalConductionofZn2+-DopedTiP2O7BasedCompositeCeramic

CHEN Changmei1,2,WANG Hongtao1,2,SUN Lin1,2,QIAO Rui1,2, ZHAO Aixia1,2,LIU Zhen1,2

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Fuyang Teachers’ College,Fuyang 236041, Anhui China;2.Anhui Provincial Key Laboratory for Degradation and Monitoring of Pollution of the Environment,Fuyang 236041,Anhui China)

pyrophosphate;composite ceramic;conductivity;electrolyte

1007-2985(2014)06-0083-04

2014-05-23

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(21302019，51402052)；安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2013B193)；安徽省省級(jí)機(jī)構(gòu)校級(jí)委托專項(xiàng)研究項(xiàng)目(2014HJJC01ZD)

王洪濤(1979—)，男，安徽亳州人，阜陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院副教授，博士，主要從事電化學(xué)和材料化學(xué)研究；E-mail hongtaoking3@126.com.

TQ133.3；O614.33

B

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.06.020