【原创】低温绝缘，高温导电，这一特性让氧化锆大有作为

中国粉体网讯  氧化锆陶瓷除了是一种性能优良的结构陶瓷之外，还是一种特殊的功能陶瓷材料，比如，氧化锆具有独特的电化学性能，简单来说就是氧化锆具有低温绝缘、高温导电的特性，这一特性让氧化锆在传感器、固态电池、无机发热体等方面有重要应用。

ZrO₂电学性质

无论是纯ZrO₂还是掺杂ZrO₂，它们在室温下均是绝缘体，电阻率大于1010Ω•cm，但其高温导电性良好，具有负的电阻温度系数，1000℃时电阻率为104Ω•cm，1700℃时只有6～7Ω•cm。

图片来源：方泰新材料

根据第一原理的计算，在ZrO₂的电子结构中，价带与导带的电子轨道能级状态是随晶体结构不同而有电子轨道数的不同。ZrO₂的价带为满带，而导带也填充有一定的电子，而造成ZrO₂的室温绝缘性能主要是由于价带与导带之间的带宽过大所致，在室温下不可能有导电性能。在掺杂以后，可以在禁带中形成新的能级(施主能级或受主能级)，使得禁带宽度减小，但在室温下仍然没有导电能力，主要是由于ZrO₂在室温下的电子迁移率太低所致。因此，无论是高纯ZrO₂还是掺杂ZrO₂，在室温下均表现出高的绝缘性能。

导电性会被无限提高吗

不会！

德国学者GuoX在一篇综述中指出，ZrO₂的导电性质与电子导电的性质不同，以离子导电的ZrO₂材料在一个合适的空位浓度条件下，才能达到最大的离子电导率，而高于最佳空位浓度的基础上再增加空位就将导致离子电导率的降低。因此，ZrO₂在高温下的电导率不可能无限制的提高。如纳米结构ZrO₂的离子电导下降主要是因为内部界面的影响太大，导致离子迁移降低而引起。由于在稳定化的ZrO₂中的空间电荷层为2.5nm左右，则只有当纳米颗粒的尺寸小于5nm时才会出现直接的量子尺寸效应引起的电子迁移，很显然这种情况很难大规模实现。

特殊应用

1、发热体

2、氧传感器

主要应用于高温环境中(600～1100℃)的氧气浓度的检测，其原理即利用了ZrO₂在高温下的电导率随氧分压有非常敏感变化的特点，主要应用于钢水中氧含量的检测。

3、燃料电池中的电极隔膜材料

燃料电池是新兴的清洁能源和有可能替代石化能源的一种能量发生单元。其本质是利用氢离子与氧离子发生反应产生水的过程中发生的电荷转移而产生能量。在这一过程中，不能使氢气与氧气直接接触燃烧，而要将氢和氧先转变成离子，再发生离子间的化合。这其中两大关键的因素就是如何将作为氢源的氢气、甲烷等转化成氢离子，这需要一定的催化剂。另一个关键因素就是如何将产生的氢离子(H⁺，即质子)和氧离子充分利用起来而不使其在电离的同时发生重新化合，这就需要高效的离子导体和质子导体将产生的H+和O^2－快速转移至相互的对侧进行化合，产生稳定的电流。这种高效的离子和质子导体即可利用掺杂ZrO₂陶瓷薄片。

参考来源：

[1]欧阳静等.氧化锆(ZrO₂)的电、光性质与应用

[2]张颖异等.高温电热材料的研究发展

（中国粉体网编辑整理/山川）

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