電泳沉積法(EPD)在釔安定氧化鋯(YSZ)薄膜化之研究 - 碩博士 ...

本研究利用電泳沉積法製備YSZ電解質薄膜，因其具製程簡易、設備成本低、產品外型限制少及適合商業化大量生產等優點，於前人的相關研究中，利用電泳沉積法可成功的將YSZ ... 資料載入處理中... 跳到主要內容 臺灣博碩士論文加值系統 ::: 網站導覽| 首頁| 關於本站| 聯絡我們| 國圖首頁| 常見問題| 操作說明 English |FB專頁 |Mobile 免費會員 登入| 註冊 功能切換導覽列 (178.128.221.219)您好！臺灣時間：2022/06/2304:05 字體大小：       ::: 詳目顯示 recordfocus 第1筆/ 共1筆  /1頁 論文基本資料 摘要 外文摘要 目次 參考文獻 紙本論文 論文連結 QRCode 本論文永久網址: 複製永久網址Twitter研究生:翁鋕榮研究生(外文):Jr-RungWeng論文名稱:電泳沉積法(EPD)在釔安定氧化鋯(YSZ)薄膜化之研究指導教授:方冠榮指導教授(外文):Kuan-ZongFung學位類別:碩士校院名稱:國立成功大學系所名稱:材料科學及工程學系碩博士班學門:工程學門學類:材料工程學類論文種類:學術論文論文出版年:2003畢業學年度:91語文別:中文論文頁數:83中文關鍵詞:電泳沉積法、釔安定氧化鋯外文關鍵詞:EPD、YSZ相關次數: 被引用:2點閱:237評分:下載:0書目收藏:1 燃料電池為21世紀極需發展之新能源科技，其具有高能量轉換效率及低污染之優點，其中固態氧化物燃料電池(SOFC)由於其效率高，所以相當適合做為中小型分散式發電系統，傳統SOFC之設計採用厚膜式(150μm)的YSZ固態電解質當支撐Cell基材，在其兩側塗上薄層的兩電極，為求固態電解質層具有足夠之離子導電度，需在900~1000℃之高溫操作，高溫操作溫度會造成材料及週邊設備之選擇性受限、電極產生燒結之現象、電極與電解質間發生反應、及運轉週期所產生之熱應力等問題，故降低操作溫度為現階段SOFC研究發展之重要課題。

本研究利用電泳沉積法製備YSZ電解質薄膜，因其具製程簡易、設備成本低、產品外型限制少及適合商業化大量生產等優點，於前人的相關研究中，利用電泳沉積法可成功的將YSZ薄膜被覆在LSM基材及Ni-YSZ基材上，但在電泳被覆後將YSZ生胚薄膜進行燒結時會有高電阻第二相之生成及Ni氧化為NiO之問題產生。

為避免電極與電解質之間於薄膜燒結時產生反應及簡化製程，故本研究以LixNi2-xO2取代傳統燃料電池陽極材料之NiO，藉由鋰離子之添加使陽極基材在室溫下具足夠之導電性，以達成電泳沉積YSZ薄膜之目的。

利用電泳沉積法可在LixNi2-xO2-YSZ電極基板上沉積厚度約20μm之YSZ電解質薄膜，並且探討電泳懸浮液中碘電解質添加量、外加電壓、沉積時間等參數對於薄膜沉積重量及沉積品質之影響。

由於本研究以LixNi2-xO2取代傳統SOFC陽極材料之NiO，故對於LixNi2-xO2氧化物作還原氣氛下之熱處理，結果於800℃、20%的氫氣氣氛下還原24小時後，LixNi2-xO2可還原為金屬鎳，且陽極基材(LixNi2-xO2-YSZ)經過還原步驟後，符合SOFC所需之多孔性電極材料，另外研究陽極基板材料(LixNi2-xO2-YSZ)與電解質材料(8YSZ)升溫燒結行為，知鋰含量之增加會造成LixNi2-xO2-YSZ基材之燒結溫度之降低，且升溫燒結時體積變化量隨鋰含量之增加而增加，低鋰含量x=0.2之LixNi2-xO2-YSZ基材具有與薄膜材料YSZ最接近之熱膨脹行為。

Yttria-stabilizedZirconia(YSZ)isthemostcommonlyusedelectrolytematerialforSolidOxideFuelCells(SOFCs)becauseofitsuniquecombinationofpropertiessuchashighchemicalandthermalstabilityandpureionicconductivityoverawiderangeofconditions.Theoxide-ionconductivityofYSZispoor;Therefore,thehighoperationtemperature(900-1000℃)isrequiredforanSOFC.Duetothehighoperationtemperature(900-1000℃)thematerialdemanduponSOFCcomponentsarequitestringent.Currently,thegoalofSOFCdevelopmentistodecreasetheoperatingtemperature,sothatthematerialselectionforcellconstructionwillbeeasier.Theoperatingtemperaturecanbedecreasedbyloweringtheelectrolyteresistanceeitherbydecreasingtheelectrolytethicknessorwithalternativematerialsofhigherionicconductivityatlowertemperatures.Theelectrophoreticdeposition(EPD)isacolloidalfabricationprocessandhasadvantageofshortformationtimes,littlerestrictionintheshapeofsubstrates,simpledepositionapparatus,andformassproduction.Therefore,theEPDmethodisseenasalow-costmethodforpreparingelectrolytethinfilmsforSOFC.Inthepast,thepreparationofYSZfilmonaporousLaMnO3-basedoxideandnickel-Y2O3-stabilizedZrO2substrateswereinvestigatedusingEPDtoproduceSOFCs.HoweverYSZreactseasilywiththeLaMnO3-basedcathodeoxidetoformanLa2Zr2O7phasewhensinteringofthegreenfilm,andtheresultingpoorlyconductingLa2Zr2O7compoundattheelectrolyte/cathodeinterfaceisundesirableforSOFCs.Therefore,sinteringYSZfilmonaporousLaMnO3-basedoxidesubstrateismoredifficultthansinteringonananodesubstrate.Inthisstudy,LixNi2-xO2-YSZwasusedtoreplaceLaMnO3-basedoxidesubstratetoavoidthereactionbetweenelectrodeandelectrolytewhensinteringtheYSZfilm.YSZfilmswiththicknessofabout20μmhavebeensuccessfullypreparedonLixNi2-xO2-YSZsubstrateviaEPDprocess.Denseandcrack-freeYSZfilmcanbeobtainedwhenthegreenfilmwassinteredat1400℃for2h.LixNi2-xO2wasreducedtometallicNickelbyaheattreatmentin20%H2,80%Ar2atmosphereat800℃for24h.Subsequently,LixNi2-xO2-YSZsubstratebecameaporousmaterialafterreducing.Fromthethermalexpansionanalysisitwasobserved,thesinteringtemperatureofLixNi2-xO2-YSZsubstratewasdecreasedanddimensionalchangeincreasedwhentheamountofLiwasincreased.ThethermalexpansionbehaviorofLi0.2Ni1.8O2-YSZisclosetothatofYSZelectrolyte. 摘要……………………………………………………………IAbstract………………………………………………………III目錄……………………………………………………………V圖目錄…………………………………………………………VIII表目錄…………………………………………………………X第一章緒論……………………………………………..1第二章資料回顧及理論基礎………………………………42-1燃料電池簡介……………………………………………42-1-1原理……………………………………………………42-1-2燃料電池之優點及應用………………………………72-1-3燃料電池的分類………………………………………82-2固態氧化物燃料電池……………………………………82-2-1固態氧化物燃料電池之結構…………………………112-2-2固態氧化物燃料電池之反應…………………………122-3粉體顆粒表面電荷之來源………………………………142-4電雙層(TheElectricDoubleLayer)理論………152-5電荷動力學現象(ElectrokineticPhenomena)………172-6D.L.V.O.理論簡述…………………………………….182-7電泳被覆法之原理…………………………………….192-7-1電泳被覆法之優點及應用…………………………..202-7-2電泳被覆製程之電源供應方式………………………212-8研究動機及目的………………………...……………23第三章實驗步驟及方法……………………………………263-1LixNi2-xO2粉末之合成………………………………..263-2X光繞射分析………………………….…………...…263-3導電率之量測………………………………………...263-4電泳沉積YSZ薄膜…………………………….……...293-4-1電泳懸浮液之配製………...……………………….293-4-2Zeta電位的量測……………..……………….……293-4-3電泳基材(LixNi2-xO2-YSZ)之製備……….…….…293-5氫氣氣氛下LixNi2-xO2之還原……………………...313-6感應偶合電漿原子放射光譜分析(ICP-AES)…………313-7YSZ生胚薄膜之燒結………………………………….…313-8SEM之觀察……………………………………………….31第四章結果與討論………………………………………..334-1LixNi2-xO2之X光繞射分析……………………………334-2鋰離子添加量對於LixNi2-xO2導電率之影響…………384-3電泳沉積參數對電泳沉積量之探討……………………404-3-1不同鋰添加量之LixNi2-xO2基材對於電泳沉積之影響404-3-2碘(I2)添加量對於電泳懸浮液及YSZ電泳沉積之影響484-3-2-1碘(I2)電解質添加量對於電泳溶液導電度之影響484-3-2-2碘(I2)電解質添加量對於YSZ顆粒表面列塔電位(Zetapotential)值之影響………………………………………………………………484-3-2-3碘(I2)電解質添加量對於電泳沉積量之影響……514-3-3外加電壓與電泳沉積時間之效應…………………….554-3-3-1電泳沉積時間對於電泳沉積量及電泳沉積速率之影響554-3-3-2外加電壓對於電泳沉積量之影響…………..……554-4YSZ薄膜之顯微結構觀察………………………………614-4-1燒結後YSZ薄膜表面及橫截面之顯微結構觀察………614-4-2外加電壓對於YSZ薄膜表面型態之影響……………..634-4-2-1外加電壓對於YSZ生胚薄膜表面型態之影響….…634-4-2-2外加電壓對於YSZ薄膜表面型態之影響………….634-4-2-3外加電壓對於YSZ薄膜表面粗糙度之影響……….634-5鋰離子添加量對於LixNi2-xO2-YSZ基材燒結曲線之影響694-6LixNi2-xO2於還原氣氛下之研究………………………714-6-1還原後LixNi2-xO2之X光繞射分析…………………714-6-2LixNi2-xO2還原前後之感應偶合電將原子放射光譜分析(ICP)…………………………………………………………714-6-3LixNi2-xO2-YSZ基材與YSZ薄膜還原前後之顯微型態比較744-6-4鋰添加量對於LixNi2-xO2-YSZ基材還原後孔隙率之影響74第五章結論………………………………………...…………..78參考文獻………………………..………………………………80致謝……………………………………………………………...83圖2-1燃料電池之簡單示意圖…………………………………….6圖2-2各種燃料電池之反應示意圖………………………………9圖2-3固態氧化物燃料電池之示意圖……………………………13圖2-4電雙層內部構造示意圖……………………………………16圖3-1本實驗之流程圖……………………………………………27圖3-2本研究量測導電率之示意圖………………………………28圖3-3本研究電泳實驗裝置示意圖………………………………30圖3-4YSZ薄膜之燒結曲線圖……………………………………32圖4-1NiO及LixNi2-xO2之X光繞射圖……………………………35圖4-2LixNi2-XO2之相轉變示意圖………………………………37圖4-3LixNi2-xO2常溫下鋰離子添加量對其導電率之關係圖…39圖4-4圖4-4不同鋰添加量之基材在電泳沉積過程中電流與時間之關係圖……………………………………………………….….………41圖4-5LixNi2-xO2基材與電泳沉積量之關係圖…………………42圖4-6不同鋰添加量之LixNi2-xO2基材於900℃熱處理後與密度之關係圖……………………………………..……………………………44圖4-7LixNi2-xO2基材之表面顯微結構圖………………………45圖4-8熱處理溫度與Li0.2Ni1.8O2基材密度之關係圖…………46圖4-9不同熱處理溫度後之Li0.2Ni1.8O2基材與電泳沉積量之關係圖………………………………………………………….…………47.圖4-10碘(I2)添加量與電泳懸浮液導電度之關係圖…………49圖4-11YSZ顆粒表面列塔電位(Zetapotential)與碘添加量之關係圖……………………………………………………………………50..圖4-12固定外加電壓、電泳沉積時間和基材下，電泳溶液中碘添加量與單位面積之電泳沉積量關係圖…………………….……………………………………52..圖4-13過剩氫離子因靜電排斥力阻礙帶電荷YSZ顆粒泳動之示意圖……………………………………………………………………53..圖4-14過剩氫離子因電泳遷移速度較帶電荷YSZ顆粒快，阻礙帶電荷YSZ顆粒沉積之示意圖……………..……………………………………………………54圖4-15固定外加電壓下(20V)，單位面積之電泳沉積量和電泳沉積速率與電泳沉積時間之關係圖………….………………….…………………………………56圖4-16改變外加電壓電泳沉積過程中電流與時間之關係圖…57圖4-17外加電壓與電荷通量之關係圖…………………………59圖4-18固定電泳沉積時間下，外加電壓與電泳沉積量之關係圖60圖4-19YSZ生胚薄膜燒結後(1400度、2小時)之SEM微結構圖………………………………..……………………………………62圖4-20改變外加電壓電泳下YSZ生胚薄膜之表面型態顯微結構圖………………………………………………………………………64圖4-21改變外加電壓電泳下YSZ薄膜之表面型態圖……………65圖4-22改變外加電壓電泳下Alfa-step儀器探針分析YSZ薄膜表面型態圖………………………………………………………………………66..圖4-23外加電壓與YSZ薄膜表面粗糙度之關係圖………………68圖4-24LixNi2-xO2-YSZ及YSZ電解質材料之燒結曲線圖………70圖4-25還原後LixNi2-xO2之X光繞射圖…………………………72圖4-26還原前後YSZ薄膜之正視圖………………………………75圖4-27還原前後YSZ薄膜之橫截面圖…………………………….76表2-1燃料電池與一次電池、二次電池優缺點之比較……………5表2-2各種燃料電池之比較………………………………………10表2-3氧化鋯薄膜製程之比較……………………………………24表4-1NiO及LixNi2-xO2之晶格常數………………………………36表4-2還原前後鋰含量與鎳含量之ICP定量分析…………………73表4-3還原後LixNi2-xO2-YSZ基材之孔隙率…………………….73 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