現在位置首頁 > 博碩士論文 > 詳目
論文中文名稱:固態氧化物燃料電池之LaGaO3基電解質的結構模擬及探討 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:The structural simulation and study of LaGaO3-based electrolyte in the solid oxide fuel cell [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:材料科學與工程研究所
畢業學年度:101
出版年度:102
中文姓名:張承龍
英文姓名:Cheng-Long Chang
研究生學號:99788505
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2012-07-26
論文頁數:126
指導教授中文名:吳玉娟
口試委員中文名:邱德威;楊永欽;雷健明
中文關鍵詞:SOFC晶體結構電子繞射LSGM
英文關鍵詞:SOFCCrystal structureElectron diffractionLSGM
論文中文摘要:固態氧化物燃料電池(SOFC)主要是由陽極、陰極和電解質所組成,反應操作溫度約600~1000℃,中溫型固態氧化物燃料電池(IT-SOFC)約400~800℃,大部分以氧化釔安定化氧化鋯(8 mole% YSZ)螢石立方晶結構為電解質材料,其離子導電率為0.036 S/cm、操作溫度為1000℃。在LaGaO3基電解質材料中摻雜Sr2+和Mg2+後的La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ(LSGM)能提高離子導電率到0.1 S/cm和減少操作溫度至800℃。
然而大部份的研究都利用實驗合成方式多過模擬軟體方式分析材料,所以本研究將使用模擬軟體方式來進行,主要是透過原子投影圖、立體投影圖、電子繞射圖和多面體圖形的相轉換去探討,從文獻中得知LaGaO3基的相轉換會隨著摻雜含量和溫度不同而改變,晶體結構將從:斜方Pnma(62)=>偽-斜方Imma(74)[像單斜I2/a(15)]=>偽-菱方
R-3c(167)=>[像單斜I2/a(15)]菱方R-3c(167)=>立方Pm-3m(221)。
從文獻中知道室溫的LaGaO3因其GaO6八面體結構扭曲,所以對稱中心降低,從模擬軟體的原子投影圖中可比較不同晶體結構扭曲的程度,再看到各結構彼此重疊的立體投影圖可得知許多重疊的方向點及其晶相關係,而文獻中LSGM結構大部份都是靠XRD、中子繞射和Rietveld refinement method分析,但因XRD不易去分辨細微的晶體結構變化,所以較常使用中子繞射和Rietveld refinement分析。本研究模擬軟體(CaRIne Crystallography 3.1)分析重點是用電子繞射圖去探討4種不同的晶體結構和5種空間群,得到的結果是有繞射方向[210]//[210]//[0-2-1]//[00-1][000-1]//[1-1-1]和[11-1]//[11-1]//[-1-1-2]//[-2-1-1][-101-1]//[1-10]相互平行的關係,繞射圖形除了斜方Pnma(62)和其它較不相同外,斜方Imma(74)和單斜I2/a(15)和菱方R-3c(167)的繞射圖很相似,難以區分。最後可能只能進一步使用CBED或LACBED來加以分析。
論文英文摘要:A Solid Oxide Fuel Cell(SOFC) is composed of anode, cathode and electrolyte. The operating temperature of SOFC is between 600 to 1000℃, and it is between 400 to 800℃ for Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell(IT-SOFC). Most of the electrolyte materials are Yttrium stabilized Zircomic(8mole%YSZ) CaF2 cubic crystal. The ion conductivity of CaF2 cubic crystal is 0.036 S/cm, and its operating temperature is 1000℃. After doping Sr2+ and Mg2+-substituted La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ(LSGM) in the LaGaO3-based electrolyte material, the ion conductivity is increased to 0.1 S/cm and the operating temperature is decreased to 800℃.
Most research used synthesis method to analyze the material rather than used simulation software. In this study, simulation software is used and the phase transition is discussed based on the adopt atom projection pattern, stereographic projection pattern, electron diffraction, and polyhedron. According to the reference, phase transition of LaGaO3-based changes with the dopant content and the temperature. The following is the transformation of the crystal structure: orthorhombic Pnma(62) => pseudo-orthorhombic Imma(74)[like monoclinic I2/a(15)] => pseudo-rhombohedral R-3c(167)[ like monoclinic I2/a(15)] =>? rhombohedral R3c(167) => cubic Pm-m(221)。
According to references, GaO6 octahedral crystal structure of LaGaO3 distorted at the room temperature, and that lowered the symmetry. The atom projection pattern created by simulation software showed the degree of distortion of different crystal structures, and Watching overlapped stereographic projection pattern of every structure knows overlapping relation for direction and mirror. The LSGM structure is mostly analyzed by XRD, neutron diffraction, Rietveld refinement method analysis, but XRD could not observe the subtle changes in crystal structure. Hence, neutron diffraction and Rietveld refinement analysis are used more often. The study, which used the simulation software (CaRIne Crystallography 3.1), mainly used electron diffraction to analyze the four different crystal structures and the five space groups. It is concluded that the diffraction direction [210]//[210]//[0-2-1]//[00-1]
[000-1]//[1-1-1] and [11-1]//[11-1]//[-1-1-2]//[-2-1-1][-101-1]//[1-10] relation for parallel each other. The diffraction pattern of orthorhombic Pnma(62) is different from other space groups. The diffraction patterns of orthorhombic Imma(74) and monoclinic I2/a(15) and rhombohedral
R c(167) are very similar to distinguish. CBED or LACBED may have to be used for further analysis.
論文目次:摘要 i
ABSTRACT iii
誌謝 v
目錄 vi
表目錄 ix
圖目錄 x
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 燃料電池之概要 3
2.1.1 燃料電池的原理 3
2.1.2 燃料電池的極化 4
2.1.3 燃料電池的種類 6
2.2 固態氧化物燃料電池(SOFC)之簡介 9
2.2.1 SOFC的原理 9
2.2.2 SOFC的優點、缺點和應用 10
2.3 SOFC之材料選擇 11
2.3.1 陽極材料(Anode material) 11
2.3.2 陰極材料(Cathode material) 11
2.3.3 電解質材料(Electrolyte material) 12
2.3.3.1 螢石結構(CaF2 crystal) 12
2.3.3.2 鈣鈦礦結構(CaTiO3 crystal) 13
2.4 晶體結構之概述 15
2.4.1 晶體結構的基本性質 16
2.4.2 晶體結構的對稱性質 17
2.4.2.1 基本對稱 17
2.4.2.2 複合對稱 19
2.4.3 點群(Point group)和空間群(Space group) 22
2.4.4 立體投影(Stereographic projection) 23
2.4.5 晶格缺陷 24
2.5 Rietevld method之概述 24
2.5.1 Rietevld method的原理 25
2.5.2 Rietevld method修正數值的判別 26
2.5.3 Rietevld method的應用 27
2.6 晶體結構的相變化 28
第三章 模擬軟體(CaRIne Crystallography 3.1)分析實驗操作步驟 32
3.1 功能圖形說明 32
3.2 原子投影圖(Atomic projection) 35
3.3 X光繞射圖(X-ray diffraction) 42
3.4 立體投影圖(Stereographic projection) 44
3.5 電子繞射圖(倒晶格)(Reciprocal lattice) 48
3.6 多面體(Polyhedron)圖形 54
第四章 結果與討論 58
4.1 晶體結構的參數值和原子點位 58
4.2 原子投影圖的模擬分析 60
4.3 X光繞射圖的模擬分析 66
4.4 立體投影圖的模擬分析 75
4.5 電子繞射圖(倒晶格)的模擬分析 83
4.6 多面體圖形的模擬分析 113
第五章 結論 117
參考資料 118
附錄 122
附錄一: 七大晶系十四種布拉格晶格的晶體結構圖 122
附錄二: JCPDS卡號 122
中國鑛冶工程學會101年年會論文宣讀及論文摘要(能源研究發展與管理乙組2) 126
論文參考文獻:[1] 石井弘毅 作者,林翌妏 譯者,簡玉芬 主編,圖解燃料電池,世茂出版有限公司,2008年10月。
[2] 衣寶廉 著,燃料電池-高效、環境友好的發電方式,化學工業出版社,2000年11月。
[3] 取材自http://americanhistory.si.edu。
[4] Ryan O’Hayre,Sulk-Won Cha,Whitney Colella,Fritz B.Pronz 原著,王曉紅、黃宏 編譯,趙中興 審閱,燃料電池基礎,全華圖書股份有限公司,2008年8月。
[5] 肖鋼 著,燃料電池技術,全華圖書股份有限公司,2010年3月。
[6] 衣寶廉 著,燃料電池-原理與應用,五南圖書出版有限公司,2005年3月。
[7] 許夢舫,以鈣鈦礦(Perovskite)結構之材料製作固態氧化物燃料電池(SOFC),碩士論文,國立清華大學,新竹,2005年7月。
[8] 謝昌哲,異質摻雜LaGaO3固態電解質之研究,碩士論文,國立東華大學材料科學與工程研究所,花蓮,2003年1月。
[9] 取材自http://whyfiles.org/shorties/174fuel_cell/。
[10] 取材自中國地質大學地學數字博物館。
[11] 余樹楨 編著,晶體之結構與性質,渤海堂文化公司印行,1993年3月。
[12] 周志潮、蔡文永、朱永花、葛曼珍 編著,結晶學,浙江大學出版社,1997年6月。
[13] 何涌、雷心荣 編著,結晶化學,化學工業出版社,2008年9月。
[14] 郝士明 著,漫談晶體結構學-從材料學說起-,1997年12月。
[15] 錢逸泰 編著,結晶化學導論第3版,中國科學技術大學出版社,2008年5月。
[16] 王萍、李國昌 編著,結晶學教程,國防工業出版社,2008年8月。
[17] 王矜奉 著,固體物理教程,山東大學出版社,2004年1月。
[18] 許樹恩、吳泰伯 編著,X光繞射原理與材料結構分析,中國材料科學學會,2004年9月。
[19] R.Ubic, G.Subodh, The prediction of lattice constants in orthorhombic perovskites, Journal of Alloys and compounds, 488, (2009), 374-379。
[20] M. Kajitani, M. Matsuda, A. HoshiKawa, K-I Oikawa, S. Torii, T. Kamiyama, F. Izumi, and M. Miyake, Neutron Diffraction Study on Lanthanum Gallate Perovskite Compound Series, Chem. Mater. 15, (2003), 3468-3473。
[21] L.Q. Jiang, J.K. Guo, H.B. Liu, M. Zhu, X. Zhou, P. Wu, C.H. Li, Prediction of lattice constant in cubic perovskites, Journal of physics Chemistry of Solids 67, (2006), 1531-1536。
[22] 取材自http://blog.sciencenet.cn/blog-249679-283635.html。
[23] 梁敬魁 編著,粉末衍射法測定晶體結構(上冊+下冊),科學出版社,2003年4月。
[24] 張嵩駿、許惠婷、許召雄、周憲辛,第二章 X光單晶繞射分析與X光粉末繞射分析(含Rietveld refinement),台灣大學化學系,台北。
[25] P. Datta, P. Majewski, F. Aldinger, Structural studies of Sr- and Mg-doped LaGaO3, Journal of Alloys and Compounds 438, (2007), 232-237。
[26] T. Shibasaki, T. Furuya, S. Wang, T. Hashimoto, Crystal structure and phase transition behavior of La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ, Solid State Ionics 174, (2004),
193–203。
[27] M. Kajitani, M. Matsuda, A. HoshiKawa, K-I Oikawa, S. Torii, T. Kamiyama, F. Izumi, and M. Miyake, Neutron Diffraction Study on Lanthanum Gallate Perovskite
Compound Series, Chem. Mater. 15, (2003), 3468-3473。
[28] P.R. Slater, J.T.S. Irvine, T. Ishihara, and Y. Takita, High-Temperature Powder Neutron Diffraction Study of the Oxide Ion Conductor La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85, Journal of Solid State Chemistry 139, (1998), 135-143。
[29] M. Lerch, H. Boysen, T. Hansen, High-temperature neutron scattering investigation of pure anddoped lanthanum gallate, Journal of Physics and Chemistry of Solids 62,
(2001), 445-455。
[30] L. Vasylechko, V. Vashook, D. Savytskii, A. Senyshyn, R. Niewa, M.Knapp, H. Ullmann, M. Berkowski, A. Matkovskii, U. Bismayer, Journal of Solid State Chemistry. 172, (2003), 396。
[31] M. Yashima, K. Nomura, H. Kageyama, Y. MiyaZaki, N. Chitose, K. Adachi, Chemical Physics Letters. 380, (2003), 391。
[32] L. Pauling, The Nature of the Chemical Bond (3rd Edn.), Cornell University Press, Ithaca, New York, 1960。
[33] R.D. Shannon, Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides, Acta Cryststallogr. Sect . A32, (1976), 751-767。
[34] T. Yamamoto, H. Momida, T. Hamada, T. Uda, T. Ohno, Fist-principles study of dielectric properties of cerium oxide, Thin Solid Films 486, (2005), 136-140。
[35] M. Lerch, H. Boysen, T. Hansen, High-temperature neutron scatting investigation of pure and doped lanthanum gallate, Journal of Physics and Chemistry of Solid 62, (2001), 445-455。
[36] M.M. Guenter, M. Lerch, H. Boysen, D. Toebbens, E. Suard, C. Baehtz, Combined neutron and synchrotron X-ray diffraction study of Sr/Mg-doped lanthanum gallate up to
high temperatures, Journal of Physics and chemistry of Solids 67 (2006) 1754-1768。
[37] 吳玉娟博士,矩陣轉換講義,台北科技大學,101年3月。
[38] M. Kajitani, M. Matsuda, A. HoshiKawa, S. Harjo, T. Kamiyama, T. Ishigaki,F. Izumi,M. Miyake, Doping effect on crystal structure and conduction property of fast oxide ion
conductor LaGaO3-Based perovskite, Journal of Physics and chemistry of Solids 68, (2007), 758-764。
[39] 林駿傑,摻雜異價離子(Sm3+、Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+)之CeO2基電解質的顯微結構和性質之分析,碩士論文,國立台北科技大學材料科學與工程研究所,台北,2012年11月。
[40] 李明澤,固態電解質La1-xSrxGa1-yMgyO3-δ電性及微觀結構分析,碩士論文,國立台北科技大學材料科學與工程研究所,台北,2011年7月。
[41] J.P. Morniroli, G.J. Auchterlonie, J. Drennan, J. zou, Contribution of electron precession to the study of perovskites displaying small symmetry departures from the ideal cubic ABO3 perovskite:application to the LaGaO3 and LSGM perovskites, Journal of Microscopy Vol.232, Pt 1 2008, pp.7-26。
[42] J.P. Morniroli, CBED and LACBED analysis of stacking faults and antiphase boundaries, Materials Chemistry and Physics 81 (2003) 209-213。
[43] J. P. Morniroli, M.L. No, P.P. Rodriguez, J. San Juan, E. Jezierska, N. Michel, S. Poulat, L. Priester, CBED and LACBED:characterization of antiphase boundaries, Ultramicroscopy 98, (2003), 9-26。
論文全文使用權限:同意授權於2018-09-03起公開