北科大固体电解质课程作业题及答案

-PAGE4-“固体电解质”课程作业什么是固体电解质？肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷的概念是什么？建议自学题目：固体电解质相关专业词汇的积累点缺陷的种类有哪些？缺陷反应方程式的三个规则是什么？建议自学题目：检索3篇固体电解质材料的专业英文文献试写出在ZrO2中掺入少量CaO的缺陷反应方程式。试用分析纯ThO2的方法来分析Y2O3掺杂ThO2。建议自学题目：阅读1篇固体电解质材料的专业英文文献，可以是本课程“推荐文献”，也可以是自选英文文献。固体电解质定氧探头测定金属熔体中氧含量有什么优点？试举出几个固体电解质应用的例子。建议自学题目：英文写作经典句型的积累缺陷对或缺陷簇的形成动力是什么？萤石结构的氧化物中ZrO2-basedelectrolyte和ThO2-basedelectrolyte有啥不同？建议自学题目：阅读elsevier英文投稿须知，了解专业英语写作的注意事项。ZrO2-CaOSystem的高温时效作用包括哪三点？Na+的传导机制有哪些？建议自学题目：国际会议交流常用语句的收集和学习根据单键能的大小，可将玻璃里的氧化物分成哪三类？怎样确定缺陷的种类？Calciastabilizedzirconia(CSZ)一般公认的稳定范围是多少？学期大作业——将下段中文翻译成英文引言固体氧化物燃料电池（SOFCs）是一种直接将化学能转化为电能的高效、清洁、低污染的技术。但是传统的电解质支撑的燃料电池工作温度较高，这不仅会使燃料电池体系的制备成本高，而且会带来很多复合材料问题，包括电极的烧结、电解质和电极之间的界面扩散和由于热膨胀系数不匹配而产生的机械应力等等。这些问题限制了SOFCs的商业化。降低SOFCs的工作温度可以降低制备成本，还可以使我们能够选择廉价的后备材料如金属合金作为连接体来降低电池堆的复杂性。降低工作温度的方法包括使用中温电解质材料，如掺杂二氧化铈和锶、镁掺杂镓酸镧（LSGM）；或者降低阳极支撑SOFCs的电解质厚度。虽然我们希望用新型材料来替代传统的氧化钇稳定的氧化锆电解质，但是这些材料还存在与苛刻的工作环境相关的一些问题，例如，掺杂二氧化铈的机械强度低、稳定性差，LSGM和氧化镍阳极的化学相容性差等。实际上，YSZ凭借其化学稳定性和热稳定性高，机械性能好，在很宽的范围内是纯离子传导等独特的性能，仍然是目前最常用SOFCs电解质材料。近年来，在制备阳极支撑的薄膜电解质的SOFCs方面取得的进展，使我们可以通过降低SOFCs中较高的欧姆电阻，来降低工作温度。为了在多孔阳极支撑上制备电解质隔膜，人们发展了各种薄膜制备技术。这些技术包括，物理、化学和电化学气相沉积，和溶胶凝胶法、流延法、泥料涂敷、喷涂、滤光膜等液相前驱体的方法。一方面制造气相沉积设备的成本很高。另一方面，为了避免薄膜开裂，使薄膜达到符合要求的致密度和预期厚度，大多数含液相的方法的涂敷和干燥需要反复进行，因此人们认为这些方法的效率较低。而且其中某些薄膜制备技术很复杂、成本高、很难控制。干压成型法是一种简单、廉价、高效的方法。这种方法被广泛的应用于制备厚度大于0.5mm的部件上，而且用这种方法已经成功地制备出8µm厚的二氧化铈基电解质薄膜。不过，对于SOFCs最常用的电解质材料YSZ，尚未有文献报道过用简单的干压成型法制备出厚度小于50µm的用于SOFC的致密YSZ电解质隔膜。这一部分是由于在压制或者共烧结过程中电解质/阳极双层膜的分层或断裂，还有限于对商业化的微尺寸YSZ的要求，用传统的干压成型法很难压出厚度小于50μm的薄膜。实验YSZ电解质薄膜的制备用甘氨酸硝酸盐法合成YSZ粉末。取适量的Y3+和Zr4+的硝酸盐（按照8mol%YSZ配比，Y3+:Zr4+摩尔比：4:23）溶于去离子水，加入甘氨酸，搅拌。将按化学计量配好的溶液在加热炉上加热蒸发除去水，而后燃烧形成灰白色粉末。把粉末在700℃煅烧2h结晶得到多孔低密度纳米晶YSZ粉体。合成多孔的密度极低的YSZ是在阳极支撑上成功地制备致密YZS电解质薄膜的关键。将YSZ和NiO粉体（共沉淀法合成）按照质量比1:1与氟和有机粘结剂混合制成阳极前驱体，再用不锈钢模具压平表面，使其具有一定的机械强度。金属模具的直径为13mm，阳极生坯厚0.6mm。然后通过筛子（丝网，250目）加上制备好的YSZ粉体。筛子的作用是有效的使YSZ粉体均匀地分布在阳极支撑表面。将YSZ涂层和阳极支撑压到一起，随后将双层坯体在1400℃烧结4h，制成致密的YSZ电解质薄膜。

“固体电解质”课程作业什么是固体电解质？Solidelectrolytes,whichconductelectricitybythemotionofions,andexhibitnegligibleelectronictransport.Includedinthisgrouparecrystallineandamorphousinorganicsolidsaswellasionicallyconductingpolymers.肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷的概念是什么？肖特基缺陷：在晶体MX中一个正离子和一个负离子移到晶体的表面而在原来的位置留下一对正离子和负离子空位，,，这种缺陷称为肖特基缺陷，它是碱金属卤化物的主要缺陷。弗仑克尔缺陷：在形成热缺陷时，晶体中具有足够高能量的原(离)子离开其平衡位置,挤入晶体中的间隙位置,造成微小的局部晶格畸变，形成填隙原子，而在其原来的位置上形成空位，这种缺陷称为弗仑克尔缺陷。建议自学题目：固体电解质相关专业词汇的积累无标准答案，目的是为提高学生专业英语打下基础。在本课程“特色学习资源”中可找到相关专业词汇。点缺陷的种类有哪些？空位、间隙离子、错位原子、溶质、自由电子和电子空穴、缔合中心和带电缺陷等。缺陷反应方程式的三个规则是什么？位置关系：在化合物MaXb中M位置数和X的位置数总是保持a：b。例如TiO2中Ti的位置数和O的位置数总是保持1:2。但这并不影响TiO2可以成为非化学计量化合物，因为位置的比例并不一定要和化学物质之间的比例一致。质量平衡：缺陷方程的两边必须保持质量平衡。电中性：晶体即使出现了各种微观缺陷也应保持电中性。这要求缺陷反应两边具有相同数目的有效电荷。建议自学题目：检索3篇固体电解质材料的专业英文文献无标准答案，目的是为让学生学会专业文献的检索。在本课程“特色学习资源”中可找到相关方法。试写出在ZrO2中掺入少量CaO的缺陷反应方程式。试用分析纯ThO2的方法来分析Y2O3掺杂ThO2。在高氧的条件下：K1=[Oi’’]p2pO2-1/2[Oi”][VO··]=K3对于掺杂的ThO2，[VO··]=constant,∴[Oi”]=constant∴p∝pO21/4在极端高氧的情况下：Y2O3=2YTh’+VO··+3OO½O2+VO··=OO+2h·电中性的条件：[YTh’]＝h·在低氧的条件下：K2=[VO··]n2pO21/2同理：n∝PO2-1/4建议自学题目：阅读1篇固体电解质材料的专业英文文献，可以是本课程“推荐文献”，也可以是自选英文文献。无标准答案，目的是让学生通过阅读专业英文文献，熟悉词汇和文献写作技巧。固体电解质定氧探头测定金属熔体中氧含量有什么优点？可以原位测定，不需取样。测定的是溶解氧，而非全氧。信号便于处理，快捷简便。电信号可送至计算机实现在线控制。试举出几个固体电解质应用的例子。各种化学电源：如高能密度电池、微功率电池等。各种化学传感器：如控制燃烧的氧传感器、用于环境保护的气体传感器，金属熔炼的定氧探头等。各种电化学器件：如积分元件、微库仑计，计时元件、记忆元件。电化学催化：碳氧化合物的加氢反应等。物质的分离与提纯：如Na的提纯，氧的分离等。物理化学的热力学和动力学研究。发热发光元件。建议自学题目：英文写作经典句型的积累无标准答案，目的是为提高学生专业英语打下基础。在本课程“特色学习资源”中可找到相关句型，可供学生参考。缺陷对或缺陷簇的形成动力是什么？带电缺陷间的静电吸引。萤石结构的氧化物中ZrO2-basedelectrolyte和ThO2-basedelectrolyte有啥不同？ZrO2-basedelectrolyte:很高的离子电导率，常用于高氧分压的环境中（接近于大气压），但是，其在低氧分压下的电子电导较高，因而将会影响其性能的发挥和测量的准确性。ThO2-basedelectrolyte:更强的热稳定性，可以用于非常低的氧分压的环境中。建议自学题目：阅读elsevier英文投稿须知，了解专业英语写作的注意事项。无标准答案，目的是为学生进行专业英语写作打下基础。在本课程“特色学习资源”中可找到，可供学生学习。ZrO2-CaOSystem的高温时效作用包括哪三点？三维周期性结构更加规则化；空位与Ca2+的耦合加剧；电导率下降。Na+的传导机制有哪些？β-Al2O3：推填子机制过多的Na＋占据间隙位置（interstitialsites)对于NaAl11O17,这些间隙位置是空的β’’-Al2O3：空位传导机制没有空位的组成极限是NaAl5O8建议自学题目：国际会议交流常用语句的收集和学习无标准答案，目的是培养学生专业英语口语交流能力。在本课程“特色学习资源”中可找到相关句型，可供学生参考。根据单键能的大小，可将玻璃里的氧化物分成哪三类？网络形成体：其单键强度>335kJ/mol，这类氧化物能单独形成玻璃；网络修饰体：其单键强度<250kJ/mol，这类氧化物不能形成玻璃，但能改变网络结构，从而使玻璃性质改变。中间体：其作用介于网络形成体和网络修饰体两者之间。凡是网络形成离子，都具有较强的极化本领，与氧之间形成极性共价健，键的破坏与重新组合也愈困难，成核位垒愈高，不易析晶而易形成玻璃。怎样确定缺陷的种类？密度的方法衍射的方法XRD,NMR,IR,XPS等Calciastabilizedzirconia(CSZ)一般公认的稳定范围是多少？12-20mol%CaO.学期大作业——将下段中文翻译成英文引言固体氧化物燃料电池（SOFCs）是一种直接将化学能转化为电能的高效、清洁、低污染的技术。但是传统的电解质支撑的燃料电池工作温度较高，这不仅会使燃料电池体系的制备成本高，而且会带来很多复合材料问题，包括电极的烧结、电解质和电极之间的界面扩散和由于热膨胀系数不匹配而产生的机械应力等等。这些问题限制了SOFCs的商业化。降低SOFCs的工作温度可以降低制备成本，还可以使我们能够选择廉价的后备材料如金属合金作为连接体来降低电池堆的复杂性。降低工作温度的方法包括使用中温电解质材料，如掺杂二氧化铈和锶、镁掺杂镓酸镧（LSGM）；或者降低阳极支撑SOFCs的电解质厚度。虽然我们希望用新型材料来替代传统的氧化钇稳定的氧化锆电解质，但是这些材料还存在与苛刻的工作环境相关的一些问题，例如，掺杂二氧化铈的机械强度低、稳定性差，LSGM和氧化镍阳极的化学相容性差等。实际上，YSZ凭借其化学稳定性和热稳定性高，机械性能好，在很宽的范围内是纯离子传导等独特的性能，仍然是目前最常用SOFCs电解质材料。近年来，在制备阳极支撑的薄膜电解质的SOFCs方面取得的进展，使我们可以通过降低SOFCs中较高的欧姆电阻，来降低工作温度。为了在多孔阳极支撑上制备电解质隔膜，人们发展了各种薄膜制备技术。这些技术包括，物理、化学和电化学气相沉积，和溶胶凝胶法、流延法、泥料涂敷、喷涂、滤光膜等液相前驱体的方法。一方面制造气相沉积设备的成本很高。另一方面，为了避免薄膜开裂，使薄膜达到符合要求的致密度和预期厚度，大多数含液相的方法的涂敷和干燥需要反复进行，因此人们认为这些方法的效率较低。而且其中某些薄膜制备技术很复杂、成本高、很难控制。干压成型法是一种简单、廉价、高效的方法。这种方法被广泛的应用于制备厚度大于0.5mm的部件上，而且用这种方法已经成功地制备出8µm厚的二氧化铈基电解质薄膜。不过，对于SOFCs最常用的电解质材料YSZ，尚未有文献报道过用简单的干压成型法制备出厚度小于50µm的用于SOFC的致密YSZ电解质隔膜。这一部分是由于在压制或者共烧结过程中电解质/阳极双层膜的分层或断裂，还有限于对商业化的微尺寸YSZ的要求，用传统的干压成型法很难压出厚度小于50μm的薄膜。实验YSZ电解质薄膜的制备用甘氨酸硝酸盐法合成YSZ粉末。取适量的Y3+和Zr4+的硝酸盐（按照8mol%YSZ配比，Y3+:Zr4+摩尔比：4:23）溶于去离子水，加入甘氨酸，搅拌。将按化学计量配好的溶液在加热炉上加热蒸发除去水，而后燃烧形成灰白色粉末。把粉末在700℃煅烧2h结晶得到多孔低密度纳米晶YSZ粉体。合成多孔的密度极低的YSZ是在阳极支撑上成功地制备致密YZS电解质薄膜的关键。将YSZ和NiO粉体（共沉淀法合成）按照质量比1:1与氟和有机粘结剂混合制成阳极前驱体，再用不锈钢模具压平表面，使其具有一定的机械强度。金属模具的直径为13mm，阳极生坯厚0.6mm。然后通过筛子（丝网，250目）加上制备好的YSZ粉体。筛子的作用是有效的使YSZ粉体均匀地分布在阳极支撑表面。将YSZ涂层和阳极支撑压到一起，随后将双层坯体在1400℃烧结4h，制成致密的YSZ电解质薄膜。无标准答案，目的是培养学生专业英语写作能力。以下为参考答案。IntroductionSolidoxidefuelcells(SOFCs)offeracleanandlowpollutingtechnologytodirectlyconvertchemicalenergyintoelectricalenergyathighefficiencies.However,thehighoperatingtemperatureofconventionalelectrolyte-supportedcellscanleadnotonlytoahighfabricationcostforSOFCssystems,butalsocomplexmaterialsproblemsincludingelectrodesintering,interfacialdiffusionbetweenelectrolyteandelectrode,andmechanicalstressduetothedifferentthermalexpansioncoefficients.TheseproblemshavelimitedthecommercialdevelopmentofSOFCs.LoweringtheoperatingtemperatureofSOFCswillreducethefabricationcostandcomplexityofthestackbyenablingtheselectionofcheapercandidatematerialsusedasinterconnectssuchasmetalalloys.ApproachestolowertheoperatingtemperaturehaveincludedemployingintermediatetemperatureelectrolytematerialssuchasdopedceriaandSr-andMg-dopedlanthanumgallate(LSGM),orreducingtheelectrolytethicknessinanode-supportedSOFCs.Althoughtheuseofadvancedmaterialstoreplacetheconventionalyttria-stablizedzirconia(YSZ)electrolyteisdesirable,someissuesassociatedwiththestabilityofthesematerialsundertheharshoperationenvironmentstillexist,forexample,thelowmechanicalstrengthandstabilityofdopedceria,andthepoorchemicalcompatibilityofLSGMwithNi0anode.Infact,uptonow,YSZisstillthemostcommonlyusedelectrolytematerialforSOFCsbecauseofitsuniquepropertiessuchashighchemicalandthermalstability,excellentmechanicalpropertiesandpureionicconductivityoverawiderangeofconditions.TheprogressinfabricatinganodesupportedthinelectrolytefilmsinrecentyearshaspermittedtheloweringoftheoperatingtemperaturesbyreducingthehighOhmicresistanceinSOFCs.Variousfilmpreparationtechniqueshavebeendevelopedforthefabricationofelectrolytemembranesonporousanodesubstrates.Thesetechniquesincludephysical,chemicalandelectrochemicalvapordeposition,andliquidprecursormethodssuchasthesol-gelprocess,tapecasting,slurrycoating,spraycoatingandfilter-coating.Thecosttobuildthevapordepositionapparatusishigh.Ontheotherhand,mostoftheliquidphase-containingmethodsareconsideredtobelessefficientbecausethecoatinganddryinghavetoberepeatedinordertoavoidfilmcracksandachievetherequireddensityordesiredthickness.Moreover,manyofthesefilmpreparationtechniquesarecomplex,expensiveanddifficulttocontrol.Thedrypressingprocess,isasimpleandcost-effectivemethod,andhasbeenwidelyusedtomakepartsthickerthan0.5mm,andthistechniquehasbeensuccessfullyusedtoprepareceria-basedelectrolytemembranesasthinas8µminthickness.However,inthecaseoftheYSZ,whichisthemostcommonlyusedasanelectrolytematerialforSOFCs,asyet,therehasbeennoliteraturetoreportthefabricationofdenseYSZelectrolytemembranesthinnerthan50µmforSOFCapplicationbyasimpledrypressingtechnique.Thisisinpartduetothedelaminationorcrackingintheelectrolyte/anodebilayerduringcompressingorco-sintering,orduetotherequirementtousecommercialmicro-sizeYSZ,makingitverydifficulttopressafilmthinnerthan50μmbythetraditionaldrypressingmethod.ExperimentalYSZelectrolytefilmsfabricationTheYSZpowdersweresynthesizedbyaglycinenitrateprocess.TheappropriatequantitiesofY3+andZr4+nitrates(molarratio4:23ofY3+:Zr4+correspondingto8mol%YSZ)weredissolvedindeionizedwater,andmixedwithglycinebystirring.Thestoichiometricsolutionswereheatedtovaporizewateronaheating