新型IT-SOFC陰極材料的制備與性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)作為一種高效、環(huán)保的綠色新能源受到全球廣泛關(guān)注。當(dāng)前研究的熱點(diǎn)是降低固體氧化物的工作溫度,開(kāi)發(fā)中溫固體氧化物燃料電池。中溫(500℃-800℃)能避免固體氧化物燃料電池在高溫環(huán)境下工作時(shí)會(huì)發(fā)生各界面的反應(yīng)、電極熱膨脹系數(shù)與電解質(zhì)熱膨脹系數(shù)不匹配造成的電池劈裂等問(wèn)題,也能擴(kuò)寬電極材料的選擇范圍,避免使用貴金屬,降低電池成本,加快其商業(yè)化運(yùn)用。然而隨著工作溫度的降低,電極的電化學(xué)性能會(huì)急劇降低。因此開(kāi)發(fā)高催化活

2、性的新型中溫固體氧化物陰極材料具有重要意義。
　　 AA'B2O5+δ層狀鈣鈦礦是一類混合離子電子導(dǎo)體(MIEC)。層狀結(jié)構(gòu)為氧離子提供了有序的擴(kuò)散通道,其表面擴(kuò)散系數(shù)和表面交換系數(shù)都高于傳統(tǒng)的AB03立方鈣鈦礦,這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得AA'B2O5+δ層狀鈣鈦礦氧化物成為一種潛在的中溫固體氧化物陰極材料。
　　 本論文采用溶膠凝膠法合成了新型銅基層狀鈣鈦礦氧化物L(fēng)nBaCu2O5(Ln=La、Nd、Sm)、LnBa0.5Sr

3、0.5Cu2O5(Ln=Nd、Sm、Gd)、SmBaCuMO5+δ(M=Fe、Ni、Zn),,研究探討了A、B位摻雜對(duì)其性能的影響。并采用離子浸漬法制備復(fù)合陰極SBCO-SDC,優(yōu)化了微觀結(jié)構(gòu)。
　　 論文首先研究了LnBaCu2O5(Ln=La、Nd、Sm)氧化物。物相分析顯示在1000℃燒結(jié)制備的LnBaCu2O5(Ln=La、Nd、Sm)均為純相。LnBaCu2O5(Ln=La、Nd、Sm)在50-800℃的平均熱膨脹系數(shù)

4、為13～14.6×10-6/℃,比傳統(tǒng)的Co基層狀鈣鈦礦氧化物(17～21×10-6/℃)熱膨脹系數(shù)小,更接近中溫電解質(zhì)熱膨脹系數(shù)。隨稀土離子半徑的降低,LnBaCu2O5(Ln=La、Nd、Sm)電化學(xué)性能提高。在700℃時(shí),SmBaCu2O5+δ的極化電阻僅為0.48Ωcm2。
　　 其次研究了Sr摻雜對(duì)LnBaCu2O5結(jié)構(gòu)和性能的影響。在LnBaCu2O5(Ln=Nd、Sm、Gd)的A'位摻雜Sr不會(huì)改變其晶體結(jié)構(gòu),Sr

5、摻雜可以明顯提高新型層狀鈣鈦礦型陰極材料LnBaCu2O5電導(dǎo)率,降低其極化電阻。SmBa0.5Sr0.5Cu2O5的電導(dǎo)率在485℃時(shí)達(dá)到了277.7 S·cm-1。L,nBa0.5Sr0.5Cu2O5陰極極化電阻較低,SmBa0.5Sr0.5Cu2O5的極化電阻降低了約50％。在550℃極化電阻僅為0.19Ωcm2,Sr摻雜主要改善了氧離子的擴(kuò)散能力。
　　 然后探究了B位摻雜過(guò)渡金屬元素對(duì)Cu基層狀鈣鈦礦性能的影響。SmB

6、aCuFeO5+δ和SmBaCuNiO5+δ為純相,但SmBaCuZnO5+δ含有第二相CuO。SmBaCuMO5+δ(M=Fe、Ni、Zn)熱膨脹系數(shù)在14～16×10-6/℃之間。交流阻抗分析SmBaCuFeO5+δ電化學(xué)性能最優(yōu),750℃時(shí),SmBaCuFeO5+δ極化電阻最小,為0.54Ωcm2,但是其電導(dǎo)率較小。通過(guò)Sr摻雜,提高了SmBaCuFeO5+δ的電導(dǎo)率和電化學(xué)性能,SmBa0.5Sr0.5CuFeO5+δ極化電阻R

7、p在650℃為1.05Ωcm2,比SmBaCuFeO5+δ(650℃為2.75Ωcm2)降低了2.5倍。
　　 最后采用離子浸漬法制備復(fù)合陰極材料SBCO-SDC,優(yōu)化了微觀結(jié)構(gòu)。通過(guò)SEM觀察到在SBCO陰極骨架上生成了納米級(jí)的SDC顆粒,擴(kuò)大了三相反應(yīng)界面區(qū)。復(fù)合陰極SBCO-SDC存在一個(gè)最佳浸漬范圍,浸漬量為3.83%的SBCO-SDC在600℃時(shí)的極化電阻僅為0.63Ωcm2,而同等條件下,未浸漬的SBCO極化電阻為1