本研究中製備的樣品分別為 BaZrO3、LaAlO3、R2Zr2O7 (R = La、Dy、Er) 以及 R2(ZrTi)O7 (R = La、Dy、Er) 的氧化物及其複合材料。BaZrO3和LaAlO3為鈦酸鈣礦結構；La2Zr2O7、R2(ZrTi)O7為焦綠石結構；Dy2Zr2O7 和 Er2Zr2O7 為螢石結構。焦綠石部分皆為無序，R離子半徑增加，8b位置上的O(3) 佔有率下降，O(1) 位置的 x 座標增加。複合材料中(Li/Na)2CO3熔點溫度為495oC，分解溫度為519oC。利用490oC測量Eu2Zr2O7複合材料11天後導電度趨於穩定約為5.6 × 10–2 S‧cm–1 ± 4.6 %。複合材料在500oC的導電度比氧化物高出約4-5個數量級；並且複合材料在500oC時的導電度大約都在10-1 S‧cm-1。本研究中BaZrO3、LaAlO3、R2(Zr,Ti)O7中最佳導電度的La2Zr2O7以及Dy2(ZrTi)O7純氧化物在700oC導電度分別為4.55 × 10-7、6.7 × 10-8、3.41 × 10-4以及5.23 × 10-4 S‧cm-1。R2(Zr,Ti)O7氧化物的導電度主要受到R離子半徑的傳導距離和陽離子束縛力影響，與螢石和焦綠石結構間的變化較無明顯的關聯性。氧化物的活化能約在0.42–1.42 eV之間，主要是受a-軸的影響；隨著a-軸增加而下降，在相同的R之下R2Zr2O7比R2(ZrTi)O7樣品高。複合材料的導電度分為兩個明顯的區段，分別為(Li/Na)2CO3熔點前後，熔點前導電度較純氧化物高出2-3個數量級；熔點後因活化能降至0.05-0.21 eV之間，此時的導電度高於純氧化物4-5個數量級，導電度約為 10-1 S‧cm-1左右。R2(ZrTi)O7系列的樣品Ti元素的混價會使得該系列樣品隨著測量溫度的上升，電子導電所佔的比例也跟著增加，由吸收光譜得知Ti元素的價數約為3.4價。除了R2(ZrTi)O7高溫下會有變價現象外，R2Zr2O7和500oC下的R2(ZrTi)O7製作成複合材料後適合當作電解質使用。

In this study, dense oxides and their composites of BaZrO3, LaAlO3, R2Zr2O7 (R = La、Dy、Er) and R2(ZrTi)O7 (R = La、Dy、Er) were prepared. Carbonate composites were prepared into 1:1 molar ratio of Li2CO3 and Na2CO3. The BaZrO3 and LaAlO3 have perovskite structure; La2Zr2O7 and all of R2(ZrTi)O7 are pyrochlore phase, Dy2Zr2O7 and Er2Zr2O7 are fluorite. All the pyrochlore phase materials are disorder. Occupancy of the O(3) sites decreases with increasing the radii of the R cations; In addition, x-coordinates of the O(1) site increase. Melting point and decomposing point of (Li/Na)2CO3 are 495oC and 519oC, respectively. At 490oC, after 11 day, conductivity of the Eu2Zr2O7–composite is 5.6 × 10–2 S‧cm–1 ± 4.6 % and levels off. Electrical conductivity of BaZrO3, LaAlO3, La2Zr2O7 and Dy2(ZrTi)O7 are 4.55 × 10-7, 6.7 × 10-8, 3.41 × 10-4 and 5.23 × 10-4 S‧cm-1 in 700oC, respectively. Conductivity of all the zirconate composites is in the order of 10-1 S‧cm-1 and it is 3 to 5 orders of magnitude larger than that of the oxides at 500oC. Conductivity of the zirconates is governed by the oxygen ion transport distances and the bonding strength between the R cation and oxygen atoms. It seems not related to the fluorite to pyrochlore phase transformation. Activation energy (Ea) of the zirconates decreases with increasing the unit cell a-axis. They are between 0.52 – 1.42 eV. For the same R, Ea of the R2Zr2O7 is higher than that of the R2(ZrTi)O7. At temperature lower than the melting point of the (Li/Na)2CO3, conductivity of the composites higher than the oxides for about 2 to 3 orders and activation energy decreases to 0.05 to 0.21 eV. At higher temperature, all the composites have conductivity in the order of 10-1 S‧cm-1. Ionic transference numbers (ti) of the R2(ZrTi)O7 is 100%. Nevertheless, for the R2(ZrTi)O7 series, ti is 100%, 90–91% and 81–83% at 500oC, 600oC and 700oC, respectively. Ti atoms are in the mixed-valence state with a valence of 3.4+. Increasing temperature, electronic conduction increases. All of the composites studied in this research are potential electrolytes for using in the SOFC at temperatures slightly lower than 500 oC.

目錄		Ⅰ
圖索引		Ⅲ
表索引		Ⅶ

第一章、緒論		1
1-1	燃料電池 (Fuel Cell)		1
1-2	固態氧化物燃料電池 (Solid Oxide Fuel Cell)		4
1-3 	SOFC 之電解質材料		6
1-4	氧離子導體		8
1-5	碳酸鹽類複合電解質		12
1-6	研究動機與目的		14

第二章、實驗方法與過程		15
2-1 	藥品		15
2-2 	實驗步驟		17
2-3 	儀器及樣品鑑定		18
	2-3-1	X-光粉末繞射 (X-ray diffraction) 圖譜鑑定		18
	2-3-2	Rietveld 精算法		20
	2-3-3	掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy) 
鑑定		22
	2-3-4	能散X射線分析 (EDS)		23
	2-3-5	交流阻抗分析 (AC Impedance)		23
	2-3-6			氧分壓對導電度變化分析		24
	2-3-7	電動勢 (EMF) 分析		25
	2-3-8		X-光吸收近邊緣光譜 (X-ray Absorption Near 
Edge Spectroscopy，XANES) 分析		26
	2-3-9		熱重/熱差 (Thermogravimetric Analysis, TGA / Differential Thermal Analyzer, DTA) 分析		27
	2-3-10	緻密度測量		28
	2-3-11	複合材料孔洞率測量		28

第三章、結果與討論		30
3-1	單相鑑定		30
3-2	結構分析		37
3-3	微結構分析		47
3-4	緻密度測量		52
3-5	元素分析		54
3-6	熱重/熱差分析		60
3-7	交流阻抗分析		62
	3-7-1	等效電路及導電度計算方式		62
	3-7-2	BaZrO3, LaAlO3 樣品在不同溫度下之交流阻抗
分析		63
	3-7-3	R2Zr2O7 (R = La, Dy, Er) 樣品在不同溫度下之交流
阻抗分析		74
	3-7-4	變氧壓導電度影響		97
	3-7-5	X-光吸收近邊緣結構光譜		103
	3-7-6		電動勢(EMF)分析		106
3-8	穩定性測量		109
3-9	R2(Zr,Ti)O7 綜合討論		111

第四章、結論與未來計畫		137
4-1	結論		137
4-2	未來計畫		140

參考文獻		141

圖	1-1	各種能源轉換技術之效率比較		3
圖	1-2	SOFC具有燃料使用彈性及高發電效率的優點		3
圖	1-3	SOFC簡單示意圖		5
圖	1-4	螢石單位晶胞		9
圖	1-5	1/8焦綠石的單位晶胞結構		10
圖	1-6	Ln2Zr2O7 (Ln = La、Nd、Sm、Eu、Gd、Y、Yb)
		焦綠石結構導電度		11
圖	1-7	ABO3結構		12
圖	2-1	布拉格繞射示意圖		19
圖	2-2	交流阻抗分析量測示意圖		23
圖	2-3	變氧壓交流阻抗分析量測示意圖		24
圖	2-4	電動勢(EMF)分析量測示意圖		25
圖	3-1-1	BaZrO3 X-光繞射圖譜		33
圖	3-1-2		LaAlO3 X-光繞射圖譜		33
圖	3-1-3	R2Zr2O7 X-光繞射圖譜		34
圖	3-1-4	R2(ZrTi)O7 X-光繞射圖譜		34
圖	3-1-5		BaZrO3複合材料 X-光繞射圖譜		35
圖	3-1-6	LaAlO3複合材料 X-光繞射圖譜		35
圖	3-1-7		R2Zr2O7複合材料 X-光繞射圖譜		36
圖	3-1-8	R2(ZrTi)O7複合材料 X-光繞射圖譜		36
圖	3-2-1(a)	BaZrO3 Rietveld精算結果		40
圖	3-2-1(b) 	LaAlO3 Rietveld精算結果		40
圖	3-2-2	R2Zr2O7 Rietveld精算結果		40
圖	3-2-3	R2(ZrTi)O7 Rietveld精算結果		40
圖	3-2-4		a-軸對R離子半徑作圖		41
圖	3-2-5	O(1)位置的 x座標對8b位置上O(3)佔有率作圖		42
圖	3-2-6(a)	O(3)佔有率對R離子半徑作圖		43
圖	3-2-6(b)	O(3)佔有率對離子半徑比作圖		43
圖	3-2-6(c)	O(1)位置的 x座標對R離子半徑作圖		44
圖	3-2-6(d)	O(1)位置的 x座標對離子半徑比作圖		44
圖	3-2-7(a)	O(3)佔有率對晶胞體積作圖		45
圖	3-2-7(b)	O(1)位置的 x座標對晶胞體積作圖		45
圖	3-2-8(a)	O(3)佔有率對溫度作圖		46
圖	3-2-8(b)	O(1)位置的 x座標對溫度作圖		46
圖	3-3-1(a)	BaZrO3純氧化物電解質材料之SEM 影像		49
圖	3-3-1(b)	BaZrO3複合材料電解質材料之SEM 影像		49
圖	3-3-1(c)	LaAlO3純氧化物電解質材料之SEM 影像		49
圖	3-3-1(d)	LaAlO3複合材料電解質材料之SEM 影像		49
圖	3-3-2		R2(Zr,Ti)2O7純氧化物電解質材料之SEM 影像		50
圖	3-3-3	R2(Zr,Ti)2O7複合材料電解質材料之SEM 影像		51
圖	3-5-1(a)	BaZrO3純氧化物電解質材料之EDS 圖譜		55
圖	3-5-1(b)	BaZrO3複合材料電解質材料之EDS 圖譜		55
圖	3-5-1(c)	LaAlO3純氧化物電解質材料之EDS 圖譜		55
圖	3-5-1(d)	LaAlO3複合材料電解質材料之EDS 圖譜		55
圖	3-5-2		R2(Zr,Ti)2O7純氧化物電解質材料之EDS 圖譜		56
圖	3-5-3	R2(Zr,Ti)2O7複合材料電解質材料之EDS 圖譜		57
圖	3-6-1		Li2CO3/Na2CO3 在空氣下之熱差分析圖		61
圖	3-6-2	Li2CO3/Na2CO3 在空氣下之熱重分析圖		61
圖	3-7-1		純氧化物樣品使用的等效電路圖		62
圖	3-7-2	複合材料樣品使用的等效電路圖		62
圖	3-7-3	BaZrO3之交流阻抗圖		65
圖	3-7-4	BaZrO3¬複合材料之交流阻抗圖		67
圖	3-7-5	LaAlO3之交流阻抗圖		69
圖	3-7-6	LaAlO3¬複合材料之交流阻抗圖		71
圖	3-7-7	BaZrO3純氧化物以及複合材料
		導電度 Arrhenius 圖		73
圖	3-7-8	LaAlO3 純氧化物以及複合材料
		導電度 Arrhenius 圖		73
圖	3-7-9	La2Zr2O7之交流阻抗圖		76
圖	3-7-10	Dy2Zr2O7之交流阻抗圖		78
圖	3-7-11	Er2Zr2O7之交流阻抗圖		80
圖	3-7-12	La2Zr2O7複合材料之交流阻抗圖		82
圖	3-7-13	Dy2Zr2O7複合材料之交流阻抗圖		84
圖	3-7-14	Er2Zr2O7複合材料之交流阻抗圖		86
圖	3-7-15	Dy2(ZrTi)O7之交流阻抗圖		88
圖	3-7-16	Er2(ZrTi)O7之交流阻抗圖		90
圖	3-7-17	Dy2(ZrTi)O7複合材料之交流阻抗圖		92
圖	3-7-18	Er2(ZrTi)O7複合材料之交流阻抗圖		94
圖	3-7-19	R2Zr2O7純氧化物以及複合材料
		導電度 Arrhenius 圖		96
圖	3-7-20	R2(ZrTi)O7純氧化物以及複合材料
		導電度 Arrhenius 圖		96

圖	3-7-21	氧離子導體在不同氧分壓下離子與電子導電度
		關係圖		97
圖	3-7-22	BaZrO3, LaAlO3 純氧化物在不同氧分壓下
		之導電度分析		98
圖	3-7-23	R2(Zr,Ti)2O7純氧化物在不同氧分壓下
		之導電度分析		98
圖	3-7-24	R2(ZrTi)O7系列樣品以1200oC燒結之吸收光譜		103
圖	3-7-25	R2(ZrTi)O7系列樣品以1500oC燒結之吸收光譜		104
圖	3-7-26	R2(ZrTi)O7複合材料系列樣品之吸收光譜		104
圖	3-7-27	BaZrO3, LaAlO3樣品的離子遷移率(ti)		107
圖	3-7-28	R2(Zr,Ti)2O7 (R=La, Dy, Er)樣品的離子遷移率(ti)		107
圖	3-7-29	R2(Zr,Ti)2O7 (R=La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Y, Ho, Er, Yb)
		樣品的離子遷移率(ti)		108
圖	3-8-1		RDC複合材料 在空氣氣氛下 
			495oC穩定性測量		110
圖	3-8-2	Eu2Zr2O7複合材料在空氣氣氛下 
		495oC穩定性測量		110
圖	3-9-1		R2ZrO7氧化物在300oC、500oC、700oC
			的導電度對R 離子半徑作圖		117
圖	3-9-2		R2(ZrTi)O7氧化物在300oC、500oC、700oC
			的導電度對R 離子半徑作圖		118
圖	3-9-3	R2ZrO7、R2(ZrTi)O7氧化物700oC
		的導電度對R 離子半徑作圖		118
圖	3-9-4	R2ZrO7、R2(ZrTi)O7氧化物700oC
		的導電度對單位晶胞體積作圖		119
圖	3-9-5	R2ZrO7、R2(ZrTi)O7氧化物300oC
		的導電度對R 離子半徑比作圖		119
圖	3-9-6	R2ZrO7、R2(ZrTi)O7氧化物500oC
		的導電度對R 離子半徑比作圖		120
圖	3-9-7	R2ZrO7、R2(ZrTi)O7氧化物700oC
		的導電度對R 離子半徑比作圖		120
圖	3-9-8	R2ZrO7、R2(ZrTi)O7氧化物700oC
		的導電度對O(3)佔有率作圖		121
圖	3-9-9	R2ZrO7、R2(ZrTi)O7氧化物700oC
		的導電度對O(1) x 位置作圖		121
圖	3-9-10	R2ZrO7氧化物的Arrhenius圖		124
圖	3-9-11	R2(ZrTi)O7氧化物的Arrhenius圖		124

圖	3-9-12	R2ZrO7、R2(ZrTi)O7氧化物
		活化能對R離子半徑作圖		125
圖	3-9-13	R2ZrO7、R2(ZrTi)O7氧化物
		活化能對a-軸作圖		125
圖	3-9-14	R2ZrO7、R2(ZrTi)O7氧化物
		活化能對離子半徑比作圖		125
圖	3-9-15	R2ZrO7、R2(ZrTi)O7氧化物
		活化能對8b 位置上 O(3) 佔有率作圖		126
圖	3-9-16	R2ZrO7、R2(ZrTi)O7氧化物
		活化能對O(1) x 位置作圖		127
圖	3-9-17	R2(Zr,Ti)2O7純氧化物與複合材料在400oC
		之導電度對R離子半徑作圖		129
圖	3-9-18	R2(Zr,Ti)2O7純氧化物與複合材料在500oC
		之導電度對R離子半徑作圖		130
圖	3-9-19	R2(Zr,Ti)2O7純氧化物與複合材料在400oC
		之導電度對離子半徑比作圖		131
圖	3-9-20	R2(Zr,Ti)2O7純氧化物與複合材料在500oC
		之導電度對離子半徑比作圖		131
圖	3-9-21	R2(Zr,Ti)2O7複合材料的Arrhenius圖		133
圖	3-9-22	R2(Zr,Ti)2O7純氧化物與複合材料
		低溫區段(300–475oC)活化能對R離子半徑作圖		134
圖	3-9-23	R2(Zr,Ti)2O7純氧化物與複合材料
		低溫區段(300–475oC)活化能對離子半徑比作圖		135

表 1-1	六類型之燃料電池特性及應用比較表		2
表 2-1	藥品純度、分子量及供應商		15
表 3-1	Li2CO3/Na2CO3 X-光粉末繞射峰位置		32
表 3-2	樣品元素之不同配位數之離子半徑比及晶體結構		32
表 3-3	BaZrO3、LaAlO3、R2(Zr,Ti)2O7 Rietveld 精算
	之晶格參數與誤差值		41
表 3-4	R2(Zr,Ti)2O7 的 a-軸與R離子半徑		41
表 3-4-1	R2(Zr,Ti) 2O7 離子半徑比、a–軸長、佔有率、x座標		42
表 3-5	複合材料樣品的孔洞率和
	Li2CO3/Na2CO3佔據孔洞的百分比		48
表 3-6	BaZrO3、LaAlO3、R2Zr2O7
	和R2(ZrTi)O7 (R = La, Dy, Er)相對緻密度		52
表 3-7	各元素氧化物熔點溫度		53
表 3-8	各元素偵測能量譜線數值		55
表 3-9	BaZrO3 電解質材料之EDS		59
表 3-10	LaAlO3 電解質材料之EDS		59
表 3-11	R2Zr2O7 & R2(ZrTi)O7 (R = La, Dy, Er) 
	電解質材料之EDS		59
表 3-12	BaZrO3在各溫度下之導電度、誤差值		66
表 3-13	BaZrO3複合材料在各溫度下之導電度、誤差值		68
表 3-14	LaAlO3 在各溫度下之導電度、誤差值		70
表 3-15	LaAlO3複合材料在各溫度下之導電度、誤差值		72
表 3-16	La2Zr2O7在各溫度下之導電度、誤差值		77
表 3-17	Dy2Zr2O7在各溫度下之導電度、誤差值		79
表 3-18	Er2Zr2O7 在各溫度下之導電度、誤差值		81
表 3-19	La2Zr2O7複合材料在各溫度下之導電度、誤差值		83
表 3-20	Dy2Zr2O7複合材料在各溫度下之導電度、誤差值		85
表 3-21	Er2Zr2O7複合材料在各溫度下之導電度、誤差值		87
表 3-22	Dy2(ZrTi)O7在各溫度下之導電度、誤差值		89
表 3-23	Er2(ZrTi)O7在各溫度下之導電度、誤差值		91
表 3-24	Dy2(ZrTi)O7複合材料在各溫度下之導電度、誤差值		93
表 3-25	Er2(ZrTi)O7複合材料在各溫度下之導電度、誤差值		95
表 3-26	BaZrO3在不同氧分壓導電度		99
表 3-27	LaAlO3在不同氧分壓導電度		99
表 3-28	La2Zr2O7在不同氧分壓導電度		100
表 3-29	Dy2Zr2O7在不同氧分壓導電度		100
表 3-30	Er2Zr2O7在不同氧分壓導電度		101
表 3-31	Dy2(ZrTi)O7在不同氧分壓導電度		101
表 3-32	Er2(ZrTi)O7在不同氧分壓導電度		102
表 3-33	R2(ZrTi)O7氧化物以不同溫度燒結及其複合材料
	之光譜位置及價數		105
表 3-34	BaZrO3、LaAlO3、R2Zr2O7
	和R2(ZrTi)O7 (R = La, Dy, Er) 之離子遷移率		108
表 3-35	R2(Zr,Ti)2O7氧化物的R離子半徑、離子半徑比
	及300oC、500oC、700oC之導電度		122
表 3-36	R2(Zr,Ti)2O7之離子半徑比、a-軸長、佔有率、座標
	及700oC的導電度		123
表 3-37	R2(Zr,Ti)2O7 之R離子半徑、離子半徑比、a-軸長
	及活化能		127
表 3-38	R2(Zr,Ti)2O7之離子半徑比、a-軸長、佔有率、x座標
	及活化能		128
表 3-39	R2(Zr,Ti)2O7氧化物之R離子半徑、離子半徑比
	及400oC、500oC導電度		132
表 3-40	R2(Zr,Ti)2O7複合材料之R離子半徑、離子半徑比
	及400oC、500oC導電度		132
表 3-41	R2(Zr,Ti)2O7複合材料在低溫區段及高溫區段之活化能		136

1.	能源國家行淨煤主軸計畫(NSTPE-CCMP)編著，《台灣高效率分散型能源技術藍圖暨產業化策略之研究》，行政院原子能委員會核能研究中心出版(2012)。
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