超细晶GdxCe1-xO2-δ电解质的低温致密化与氧空位调控：提升中温固体氧化物燃料电池离子电导率的新策略

本文通过共沉淀法合成GdxCe1-xO2-δ（GDC）纳米电解质，创新性地结合水-醇溶剂体系与分散剂调控，获得单分散前驱体。经700°C煅烧后形成32.54 nm纳米粉体，1400°C烧结实现98.65%致密度。20% Gd3+掺杂（Gd0.2Ce0.8O1.9）协同优化氧空位浓度与晶格畸变，使600°C离子电导率达1.70×10-2 S cm-1，为IT-SOFC（中温固体氧化物燃料电池）提供兼具低温烧结、高导离子电性和机械强度的电解质解决方案。

　　

Highlight

本研究通过缺陷化学调控与粉末加工双路径策略，解决了钆掺杂氧化铈（GDC）高温致密化和晶粒粗化问题。

材料合成

采用共沉淀法制备Gd_xCe_1-xO_2-δ（x=0-0.3）样品：将Gd₂O₃（99.999%）溶于浓HNO₃，Ce(NO₃)₃·6H₂O（99.99%）溶于乙醇-水混合溶剂（1:1），混合后加入PEG200/(NH₄)₂SO₄分散剂，经沉淀、洗涤、干燥获得前驱体。

GDC纳米粉体的合成与形貌表征

以10% Gd³⁺掺杂样品为例，SEM和XRD显示：添加分散剂可有效防止前驱体硬团聚（图1a）。XRD证实所有样品均为纯立方萤石相，晶粒尺寸分布均匀。

结论

1. 1.

   水-乙醇溶剂与分散剂联用获得单分散前驱体，0.3 mol/L阳离子浓度下得到纯相立方萤石结构；

2. 2.

   Gd_0.2Ce_0.8O_1.9（GDC20）展现最佳性能——氧空位浓度与晶格畸变协同优化，活化能降至0.57 eV，600°C离子电导率突破1.70×10^-2 S cm^-1。