GdBaCo2O5+δ基氧電極的高溫電學(xué)性質(zhì)和表面偏析現(xiàn)象的研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種新型的發(fā)電裝置，它可以將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。反之，SOFC的可逆裝置固體氧化物電解池（SOEC）可以利用各種可再生能源和工業(yè)余熱提供的電能和熱能,將水蒸氣電解為氫氣和氧氣。SOFC和SOEC具有高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是目前許多國家都在大力發(fā)展的高新技術(shù)。GdBaCo2O5+δ（GBCO）是一種性能較高的氧電極材料，在SOFC中可作為陰極使用。許多電極材料在高溫下會(huì)出現(xiàn)表面元素偏析的現(xiàn)象，而陰極的表

2、面是氧催化反應(yīng)的重要部位，電極材料的表面偏析會(huì)改變電極的表面成分，降低電極的催化效率，使電池的性能降低。GBCO電極可能也會(huì)存在這種現(xiàn)象；同時(shí)，電池在工作過程中，電流流經(jīng)電極會(huì)造成電極的極化，許多電極材料在極化處理后性能會(huì)有明顯變化，電極極化也可能會(huì)影響GBCO的性能。本文對(duì)GBCO基氧電極的高溫電學(xué)性質(zhì)和表面偏析現(xiàn)象進(jìn)行研究，確定GBCO基電極是否存在表面偏析現(xiàn)象；研究不同的電極極化處理對(duì)GBCO電極性能的影響。
　　通過溶膠凝

3、膠法制備了GdBaCo2O5+δ和GdBa0.5Sr0.5Co2O5+δ（Ba位Sr摻雜的GBCO，簡記為 GBSCO）電極材料，通過對(duì)二者的物性測試發(fā)現(xiàn)，GBSCO具有更高的電導(dǎo)率，但熱膨脹系數(shù)稍大；以Sm0.2Ce0.8O1.9（SDC，溶膠凝膠法制備）為電解質(zhì)、以Ag為對(duì)電極分別制作GBCO和GBSCO半電池，通過對(duì)二者的電化學(xué)性能測試發(fā)現(xiàn)，GBSCO電極具有更低的極化阻抗，通過擬合分析可知，GBSCO電極具有更低的氧催化活化能。

4、
　　將GBCO在空氣中進(jìn)行高溫退火處理，通過SEM觀測發(fā)現(xiàn)處理后的電極表面析出很多顆粒，通過EDS測試對(duì)電極表面的成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)析出顆粒處的組分明顯偏離正常比例，其中Ba元素的含量明顯偏高，說明GBCO存在表面偏析現(xiàn)象。通過GBCO和GBSCO表面偏析進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，同樣熱處理?xiàng)l件下GBSCO的析出現(xiàn)象更加明顯，通過表面元素測試分析發(fā)現(xiàn)，GBSCO中Sr元素的表面析出比Ba元素多。
　　在750℃的空氣氣氛中，對(duì)GBCO

5、半電池進(jìn)行20·h的退火處理，在整個(gè)過程中電池的歐姆電阻變化較小，極化電阻上升了9％；將GBCO半電池在不同氧分壓下進(jìn)行交流阻抗測試，分析結(jié)果顯示，阻抗譜中高頻部分代表了氧在電極表面的電荷轉(zhuǎn)移過程，低頻部分代表了氧在電極表面的吸附解離過程；在750℃的空氣環(huán)境中，通過對(duì)GBCO電極進(jìn)行20·h的陽極極化（600·mA·cm-2）處理發(fā)現(xiàn)，GBCO半電池的極化電阻和歐姆電阻都呈增長趨勢；對(duì)GBCO半電池進(jìn)行不同電流密度的陽極極化處理發(fā)現(xiàn)，

6、在相同的處理時(shí)間內(nèi)，大的電流密度會(huì)使極化電阻和歐姆電阻的增加幅度變大；對(duì)GBCO電極進(jìn)行20·h的陰極極化處理發(fā)現(xiàn)，GBCO半電池的極化電阻和歐姆電阻在短時(shí)間（10-20·min）內(nèi)會(huì)迅速降低，然后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；說明短時(shí)間的陰極極化處理提高了GBCO電極的電化學(xué)性能；通過不同電流密度的陰極極化處理發(fā)現(xiàn)，較低的極化電流密度（100·mA·cm-2）下的極化處理難以提高電極的性能，電流密度越大，電極性能提高的幅度越大。通過對(duì)退火后、陰極極化

7、處理后、陽極極化處理后的電極進(jìn)行SEM測試發(fā)現(xiàn)，退火處理后電極的表面產(chǎn)生較多的析出顆粒，陽極極化處理后電極表面的析出比退火后的表面析出更嚴(yán)重，而陰極極化處理后的電極比退火后的電極的表面析出少。說明陽極極化加劇了電極的表面偏析，陰極極化能夠緩解表面偏析。
　　將極化處理后的GBCO半電池在相同溫度下保溫退火，觀察極化處理后電極性能的穩(wěn)定性，測試發(fā)現(xiàn)，退火過程中電極的性能逐漸向極化處理前的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，但退火過程中電極性能的變化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低