在SOFC以及相关氧传感器中，电解质作为其中的核心部件，增进对其了解有利于设计更加高效、稳定、灵敏的SOFC以及传感器。
本研究中，研究了名义组成为 Ce0.8Gd0.2O1.9、Sc0.1Ce0.01Zr0.89O1.95 和 Sc0.09Yb0.01Zr0.9O1.95 的商用粉末的结构和电化学性质。这些材料有望用于电化学装置，即气体传感器和燃料电池。通过比较不同气氛（合成空气、氩气中 3000 ppm NH3、氩气中 10% H2）中的 EIS 光谱，提出了三相边界上的反应，并描述了电解质的传导机制。Ce0.8Gd0.2O1.9 材料是一种混合离子-电子导体，适合用作燃料电池中的阳极材料。此外，它对氨表现出明显的可逆响应，表明可以用作 NH3 气敏元件。在氧化锆基材料中，电传导是通过氧离子载体实现的。其中，从应用角度来看最有希望的是Sc0.09Yb0.01Zr0.9O1.95，其与氢表现出较高的可逆反应。
Figure 1. The comparison of green bodies (bottom row) with sintered specimens (upper row) in order: GDC, ScCeSZ, and ScYbSZ.
Figure 2. Experimental set for EIS measurements.
Figure 3. The specimen holder for EIS measurements.
Figure 4. The XRD patterns with labeled peaks characteristic for cubic phase recorded for sintered samples (a) GDC, (b) ScCeSZ, (c) ScYbSZ.
Figure 5. Surface morphology of sintered samples presented on SEM images at different magnifications for (1a,1b) GDC, (2a,2b) ScCeSZ, and (3a,3b) ScYbSZ.
Figure 6. Evolution of EIS spectrum of GDC in H2-containing atmosphere with rising temperature; red line obtained using presented equivalent circuits for parameters values collated in tables at temperatures (a) 200 °C, (b) 500 °C, and (c) 550 °C.
Figure 7. Changes in electrical properties caused by exposition on ammonia- and hydrogen-containing atmospheres presented as Nyquist spectra from EIS at 450 °C for (1) GDC, (2) ScCeSZ, and (3) ScYbSZ; column (b) contains magnified high-frequency bottom-right corner region of spectra from (a) column.
Figure 8. Summary of electrochemical response and reversibility of the probes for exposition on ammonia- and hydrogen-containing atmospheres presented in Arrhenius plots with calculated energy of activation values for (1) GDC, (2) ScCeSZ, and (3) ScYbSZ.
总而言之，从专用于 SOFC 固体电解质的商用氧化锆和氧化铈粉末中，制备出致密的烧结体。基于氧化铈的材料与基于氧化锆的陶瓷具有不同的微观结构。对于氧化铈基的陶瓷，显示出致密、平坦的表面，没有特征晶粒，而氧化锆陶瓷则显示出典型的多晶结构，由圆形、部分分离的晶粒组成。在基于氧化锆的样品中，观察到名义的元素组成和实验元素组成之间存在一些差异。
根据在氧化和还原气氛中进行的 EIS 研究，氧化锆样品是氧离子导体，而氧化铈则表现出混合离子电子传导。因此，GDC 最适合用作在 500°C 以上温度下工作的 SOFC 装置的阳极元件。在这种情况下，氢氧化的有效性显著提高。此外，GDC 在整个研究的温度范围内对 NH3 表现出显着且可逆的电化学响应。因此，它可能有望成为氨气传感器工作元件的材料。
在 ScCeSZ 材料暴露于 400°C 以上的 NH3 的情况下，得到了最大的电化学响应。然而，该反应只是部分可逆的，这限制了它在未经进一步修饰的情况下作为氨传感器元件的可用性。
另一方面，ScYbSZ 在 400°C 以下的还原气氛中表现出最高的电性能稳定性，并且在 400°C 以上对 H2 表现出明显的可逆响应。因此，它可能是 H2 传感器工作相或 IT-SOFC 设备固体电解质的候选材料。
总之，所提出的研究对于评估所研究材料的潜在用途以及确定其最佳工作条件（即温度和气氛成分）至关重要。然而，还需要进一步研究制备和陶瓷成分对观察到的机电性能的影响。
Dziubaniuk, M.; Piech, R.; Paczosa-Bator, B. Electrochemical Impedance Spectroscopy Study of Ceria- and Zirconia-Based Solid Electrolytes for Application Purposes in Fuel Cells and Gas Sensors. Materials 2024, 17, 5224. https://doi.org/10.3390/ma17215224
原文链接：https://www.mdpi.com/1996-1944/17/21/5224
