采用脈沖激光沉積(PLD)法，在多孔支撐的NiO-YSZ 陽(yáng)極基底上制備YSZ電解質(zhì)薄膜。利用XRD、SEM和射頻阻抗/ 材料分析儀對(duì)多層膜的物相結(jié)構(gòu)、表面形貌以及電學(xué)特性等進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，YSZ 電解質(zhì)薄膜在300-500℃之間，其電導(dǎo)活化能最小值為0.86eV，電導(dǎo)率可達(dá)到7.96×10^-5 s/cm。

　　固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效清潔的能源轉(zhuǎn)化裝置，由于其高效、低污染等諸多方面的優(yōu)點(diǎn)正日益受到廣泛重視。決定SOFC 性能的最主要因素是電解質(zhì)材料離子電導(dǎo)率的大小，目前在SOFC 中應(yīng)用最普遍和最成功的是釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)電解質(zhì)。YSZ 在高溫下(≥900℃)具有良好的離子電導(dǎo)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，因此SOFC 須在高溫(900-1000℃)下運(yùn)行。如此高的工作溫度，導(dǎo)致電極材料的選擇范圍受到了限制，并且大大降低了SOFC 的使用壽命和電池材料長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。如果將電池的工作溫度降至600-800℃(所謂中溫)，或者300-500℃(低溫)，甚至室溫，就可避免電池組件間的相互作用及電極的燒結(jié)退化，延長(zhǎng)電池壽命，提高電池的效率和降低生產(chǎn)成本。尋找在較低溫度下具有足夠高的離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)是目前SOFC 領(lǐng)域研究的重要課題。

　　近年來(lái)，研究的主要方向是采用薄膜技術(shù)來(lái)降低SOFC 的電解質(zhì)的工作溫度，在500-700℃的中溫范圍內(nèi)有較大的成果。電解質(zhì)的薄膜化也能最大限度地減少歐姆損耗和降低燃料電池的工作溫度。Bailly 等人通過(guò)靜電噴涂沉積法獲得的500nm 厚的YSZ 薄膜電解質(zhì)，其電導(dǎo)率低于體材料的電導(dǎo)率，Garbayo 等人研究了YSZ 薄膜電解質(zhì)與無(wú)支撐結(jié)構(gòu)的YSZ 厚膜相比，其電導(dǎo)率增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　本文中，在多孔的NiO-YSZ 陽(yáng)極支撐襯底上制備厚度為600nm-1μm 的YSZ 電解質(zhì)薄膜，真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為這是一種盡可能實(shí)現(xiàn)固體氧化物燃料電池在低溫(300℃-500℃) 條件下工作的導(dǎo)電薄膜模型。發(fā)現(xiàn)在300℃-500℃低溫范圍內(nèi)，YSZ 薄膜具有相對(duì)較大的電導(dǎo)率。

1、實(shí)驗(yàn)

　　將NiO 粉末，YSZ 粉末和淀粉按照5:5:2 wt.%的比例混合，用球磨機(jī)研磨48h 后，利用研缽手磨2h，使三種粉末混合均勻。稱取若干份納米尺寸的粉末，每份0.25g，置于直徑為13mm 的磨具中，利用粉末壓片機(jī)在481 MPa 的表觀壓強(qiáng)下壓制成直徑為10mm，厚度為0.5mm 的圓片。圓片在1400 ℃的高溫爐中燒結(jié)4h 使其致密化，升降溫速率為3℃/min。這樣得到綠色的NiO–YSZ 陽(yáng)極支撐。

　　采用中科院沈陽(yáng)科學(xué)儀器廠生產(chǎn)的PLD-450型脈沖激光濺射儀，腔室內(nèi)裝有四個(gè)獨(dú)立靶位，激光器為美國(guó)相干公司(Coherent Inc.) 生產(chǎn)的COMPexPro201 型脈沖準(zhǔn)分子激光器，濺射靶材采用高純YSZ 靶材(純度99.999%)。將YSZ 靶材和NiO–YSZ 陽(yáng)極襯底固定在相應(yīng)的樣品架上，襯底和YSZ 靶材的距離為5cm，襯底溫度設(shè)定在300-600℃，氧分壓設(shè)定為5Pa，激光器工作模式為恒壓26kV， 激光能量在650-690mJ， 頻率為10Hz，通過(guò)調(diào)節(jié)激光的能量以及脈沖次數(shù)來(lái)控制薄膜的厚度至600nm-1μm。為討論問(wèn)題方便起見，分別將不同沉積溫度的樣品編號(hào)如表1。

表1 不同沉積溫度的樣品編號(hào)

2、結(jié)論

　　通過(guò)采用脈沖激光沉積法在多孔的NiO-YSZ 陽(yáng)極基板上成功地沉積了致密的8YSZ薄膜，并對(duì)其物相、表面形貌及電學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試分析得出了以下結(jié)論：

　　(1) 使用PLD 技術(shù)可以在多孔的NiO-YSZ陽(yáng)極基板上能夠沉積厚度大約為1μm 的致密的薄膜。襯底溫度為500℃時(shí)，薄膜具有最佳的結(jié)晶度。該薄膜具有較大的等軸晶粒尺寸，同時(shí)薄膜具有良好的結(jié)晶度，很好得附著在NiO-YSZ 陽(yáng)極基底上。

　　(2)X- 射線衍射和電子顯微鏡結(jié)果表明，利用激光濺射沉積的YSZ 薄膜在(111)晶向上是擇優(yōu)生長(zhǎng)。

　　(3)電學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，在較高的溫度下，測(cè)定樣品所獲得激活能為1.09eV。在低溫下，獲得的沉積在NiO-YSZ 基底的YSZ 薄膜激活能為0.86eV。在低溫條件下測(cè)試得到的電導(dǎo)率比YSZ 體材料的電導(dǎo)率增強(qiáng)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。