钴掺杂Sr1.5La0.5MnO4的合成及高温电化学性能研究

采用EDTA-柠檬酸法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料Sr_(1.5)La_(0.5)Mn_(1-x)Co_xO_4(SLMCOx),并利用粉末X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)以及电化学交流阻抗谱(EIS)进行表征。结果表明,该材料与Ce0.9Gd0.1O1.95(CGO)在1 200℃烧结12 h不发生化学反应。随着Co掺入量的增加,氧化物中Mn~(3+)和Co~(2+)含量增多,晶格氧含量降低,晶格畸变率增大。交流阻抗谱(EIS)测试结果显示,钴的掺杂明显降低电极的极化电阻,其中Sr_(1.5)La_(0.5)Mn_(0.7)Co_(0.3)O_4阴极在700℃空气中的极化电阻为0.62Ω·cm~2,明显小于Sr_(1.5)La_(0.5)MnO_4阴极在750℃的极化电阻(1.5Ω·cm~2),表明钴掺杂的Sr_(1.5)La_(0.5)Mn_(1-x)CoxO_4是一种潜在的IT-SOFC阴极材料。     

中温固体氧化物燃料电池阴极Sr3Fe2-xNixO7-δ(x=0,0.1,0.2,0.3)的制备与性能

采用溶胶凝胶法(sol-gel)合成了Sr_3Fe_(2-x)Ni_xO_(7-δ)(x=0,0.1,0.2,0.3)系列阴极材料,通过X射线衍射、热膨胀系数测试、电导率测试、极化阻抗(R_p)测试、单电池性能测试等对材料的物相结构、热力学性能、电化学性能进行了表征。结果表明,所有样品均成功合成为具有类钙钛矿结构的单一纯相。热膨胀系数随着Ni元素掺杂含量的提高而不断下降。其高温电导率随着Ni元素掺杂含量的提高而升高,SFN30具有该系列最高的电导率101 S·cm~(-1)。该系列样品的极化阻抗随着Ni元素掺杂含量的提高呈现先下降后上升的趋势,SFN10在800℃具有小的极化阻抗(R_p=0.078 8Ω·cm~2)。电解质支撑的单电池输出功率变化趋势与极化阻抗趋势一致,SFN10在800℃获得421.6 mW·cm~(-2)的输出功率密度。     

中温固体氧化物燃料电池La_(0.8-x)Bi_xSr_(0.2)FeO_(3-δ)阴极材料研究

通过高温固相法制备出La_(0.8-x)Bi_xSr_(0.2)FeO_(3-δ)(LBSF)阴极粉体和铒稳定氧化铋(ESB)电解质粉体,通过XRD分别确定其成相温度以及相互之间的化学相容性;以LBSF作为阴极, ESB作为电解质,构成LBSF|ESB|LBSF对称电池,利用交流阻抗法测试阴极的极化行为;用扫描电子显微镜观察电池的断面微结构。结果表明:通过固相合成的LBSF阴极材料呈立方钙钛矿结构。在同一温度下,电导率随Bi_2O_3的掺杂量增加而降低;但极化阻抗随着Bi_2O_3的掺杂量增加而降低,当x=0.4时, LBSF(0.4)的极化阻抗达到最小, 650℃时为1.05Ω·cm~2, 900℃时低达0.17Ω·cm~2。研究结果表明:LBSF是良好的固体氧化物燃料电池阴极材料。     

(Pr0.9La0.1)2(Ni0.74Cu0.21Ga0.05)O4+δ纳米纤维阴极的制备及电化学性质

采用静电纺丝法制备了(Pr_(0.9)La_(0.1))_2(Ni_(0.74)Cu_(0.21)Ga_(0.05))O_(4+δ)(PLNCG)氧化物纳米纤维。利用热重-差热分析(TG-DTA)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)对材料的物相及微观形貌进行分析。研究表明950℃煅烧5 h得到平均直径420 nm、形貌均一的PLNCG氧化物纤维;1 000℃烧结2 h得到紧密附着在Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(2-δ)(CGO)电解质上的网状结构纤维阴极。电化学阻抗谱(EIS)测试结果表明纳米纤维阴极具有比粉体阴极更优越的性能。700℃的极化电阻(RP)为0.134Ω·cm~2,比同组分的粉末阴极减少32%(RP=0.197Ω·cm~2)。以纤维阴极构筑的电解质支撑单电池Ni-CGO/CGO/PLNCG在700℃的最大输出功率密度为231 m W·cm-2。氧分压测试结果表明阴极反应的速率控制步骤为电荷转移过程。     

Sm0.5Sr0.5Co1-xCuxO3-δ阴极材料的合成与性能研究

采用尿素-硝酸盐法制备了Sm0.5Sr0.5Co1-xCuxO3-δ(x=0～0.5)阴极材料.用TG-DSC,SEM,XRD和热膨胀仪对材料的形成过程、晶体结构、烧结体的微观结构及热膨胀性能进行了表征.用直流四端子法测试材料在500～800℃范围内的电导率.结果表明,制备样品的主晶相为正交钙钛矿结构,体系含有杂相;电导率随温度和Cu含量的变化关系表现为,x≤0.2时的样品随温度升高电导率降低,x≥0.3时随温度升高电导率增大,组成为x=0.2的样品电导率最高,500℃达到703.1 S·cm-1.材料的热膨胀系数随掺杂的Cu含量增加而降低.     

中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料LaBiMn2O6-Sm0.2Ce0.8O1.9的制备与电化学性质

采用甘氨酸燃烧法合成了LaBiMn_2O_6粉体,并与Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)均匀混合制备了LaBiMn_2O_6-Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)(LBM-SDC)复合阴极材料。利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对材料的物相及微观形貌进行分析,结果表明LBM与SDC在1 000℃下有良好的化学稳定性。SDC的复合增加了氧离子传导路径,进而使氧还原反应(ORR)速度加快。电化学阻抗谱(EIS)测试结果表明,复合阴极极化电阻(Rp)随SDC复合量的增加呈现先降低后升高的趋势,当复合量为30%(w/w)时,阴极材料的性能最优。在700℃空气气氛下的极化电阻为0.186Ω·cm~2,相对LBM(0.717Ω·cm~2)减少74%。氧分压测试结果表明阴极反应的速率控制步骤为氧分子的吸附-解离过程。以复合阴极构筑的电解质支撑单电池Ni-SDC/SDC/LBM-30%SDC在700℃的最大输出功率密度为234 mW·cm~(-2),连续测试90 h输出功率衰减约4%。     

Gd1-xSrxCoO3-δ和Gd0.8Sr0.2Co1-yFeyO3-δ系阴极材料的制备和性能

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了新型中温固体氧化物燃料电池(IT.SOFC)的阴极材料Gd1-xSrxCoO3-δ(x=0-0.5)和Gd.0.8Sr0.2Co1-yFeyO3-δ(y=0-1),所合成的初始粉体在800℃下煅烧12 h后均形成了钙钛矿结构的单相固溶体.研究发现,Gd1-xSrxCoO3-δ(GSC)的电导率在600℃时达到了559 S·cm-1,由Ce0.8Cd0.2O2-δ(GDC)电解质和GSC-25GDC材料组成的对称电极在600℃和700℃的界面阻抗分别为0.170Ω·cm2和0.064Ω·cm2,活化能仅为87.8 kJ·mol-1,预示其可以作为ITSOFC较为理想的阴极备选材料;随着Fe3 离子含量的增加,Gd0.8Sr0.2Co1-yFeyO3-δ系列阴极材料的热膨胀系数显著降低,但其电导率也急速下降;此外,通过调整Gd0.8Sr0.2CoO3-δ与GDC的比例可以制备出热膨胀系数与GDC电解质匹配、性能良好的Cd0.8Sr0.2CoO3-δ/GDC复合阴极材料.     

(Pr0.9La0.1)2(Ni0.74Cu0.21Ga0.05)O4+δ-Ce0.9Gd0.1O2-δ复合阴极的制备及电化学性质

采用EDTA-柠檬酸盐法制备了(Pr0.9La0.1)2(Ni0.74Cu0.21Ga0.05)O4+δ(PLNCG),并与Ce0.9Gd0.1O2-δ(CGO)形成复合阴极PLNCG-CGO。XRD和SEM分析结果表明PLNCG与CGO在1 000℃具有较好的化学相容性。电化学阻抗测试结果表明PLNCG-30%CGO复合阴极在700℃的极化电阻为0.092Ω·cm2;过电位为39.3 m V时,电流密度达到113.3 m A·cm-2。氧分压分析表明电极反应的速率控制步骤为电荷转移过程。阳极支撑单电池(Ni-CGO/CGO/PLNCG-30%CGO)在700℃的最大输出功率密度达到569 m W·cm-2,开路电压(OCV)为0.76 V。     

固体电解质Ce_(0.9)Er_(0.1-x)Pr_xO_(1.95+δ)的微观结构及电性能

采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了固体电解质Ce0.9Er0.1-xPrxO1.95+δ(x=0.02~0.08),利用X射线粉末衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)和交流阻抗谱研究了样品的微观结构和电性能.XRD结果表明,800℃煅烧的所有样品均形成了单相立方萤石结构;Raman光谱结果表明,Ce0.9Er0.05Pr0.05O1.95+δ具有氧缺位的立方萤石结构;XPS分析表明,Ce0.9Er0.05Pr0.05O1.95+δ存在氧缺位,Pr3+离子和Pr4+离子共存;AFM观测结果表明,1300℃下烧结的样品比1400℃下烧结的样品致密;交流阻抗谱结果表明,Pr掺杂量x=0.05时,Ce0.9Er0.05Pr0.05O1.95+δ的电导率最高(σ600℃=1.34×10-2S/cm,Ea=0.90 e V),比未掺杂Pr的Ce0.9Er0.1O1.95(σ600℃=8.81×10-3S/cm,Ea=0.92 e V)提高了52%,说明在Ce0.9Er0.1O1.95中适量掺杂Pr可提高材料的电导率,降低活化能.     

复合电解质Ce0.8Gd0.2O2-α-(Li/K)2CO3的中温燃料电池性能

用溶胶凝胶法低温(900℃,通常高温烧结温度为1400℃)制备了Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(2-α),并与(Li/K)_2CO_3共熔体进行复合。XRD结果表明(Li/K)_2CO_3与Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(2-α)复合后没有发生化学反应,SEM结果表明复合电解质致密无孔洞。考察了复合电解质在400~600℃下干燥氮气气氛中的电导率,结果表明,温度为600℃时,复合电解质的电导率达到最大值6.4×10~(-2)S·cm~(-1),高于单一CeO_2材料在相同条件下的电导率。氧分压与电导率关系曲线表明复合电解质具有良好的氧离子导电性。H_2/O_2燃料电池性能测试表明,复合电解质GDC-SG-LK在600℃开路条件下的电解质阻抗、极化阻抗分别为2.7和0.8Ω,最大输出功率密度为267mW·cm~(-2)。     

中温固体氧化物燃料电池Pr1.2Sr0.8NiO4阴极材料的制备、结构和性能

以相应的氧化物粉末和盐为原料,通过甘氨酸-硝酸盐法合成出了中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)Pr1.2Sr0.8NiO4(PSNO)阴极原料粉体,并制备出了烧结体试样.采用X射线衍射(XRD)分析对所合成粉体的相组成进行了分析,分别采用热膨胀仪和四端子法对PSNO烧结体试样的热膨胀系数和电导率进行了测定,同时对该阴极材料与Sm0.2Ce0.8O1.9(sco)电解质材料的电化学阻抗谱(EIS)进行了测试分析以SCO作电解质,分别以NiO/SCO和PSNO作阳极和阴极材料,制备出固体氧化物燃料单电池,并对其性能进行测试.实验结果表明,通过甘氨酸-硝酸盐法,在1050℃以上煅烧前驱体,可以获得具有K2NiF4结构的PSNO粉体.所制备的PSNO烧结体试样在200-800℃间的热膨胀系数约为12×10-6 K-1,在450℃下的电导率约为155 S· cm-1,在400-800℃,平均电导活化能为0.034 eV.电化学阻抗谱分析结果表明,在700 ℃下PSNO阴极和SCO电解质间的比表面阻抗(ASR)为0.37Ω·cm2,而Ni-SCO/SCO/PSNO单电池的比表面阻抗为0.61Ω·cm2;所制备的SOFC单电池在800℃下的输出功率为288 mW· cm-2,开路电压为0.75 V.本研究的初步结果表明PSNO 材料是一种综合性能较为优良的新型巾温固体氧化物燃料电池阴极材料.     

Ln_2MO_4型固体氧化物燃料电池阴极材料

发展中温固体氧化物燃料电池阴极材料面临着巨大的挑战,K2NiF4结构Ln2MO4型氧化物(Ln=La,Pr,Nd,Sm;M=Ni,Cu,Fe,Co,Mn)由于具有高的离子-电子电导率,与固体电解质匹配的热膨胀系数,较好的氧扩散及表面交换性能,得到了人们的广泛关注.这预示着该类材料有希望成为一种新型固体氧化物燃料电池阴极材料.阴极材料的高温化学稳定性研究结果表明,镍酸盐Ln2NiO4(Ln=La,Pr,Nd)氧化物与固体电解质YSZ化学相容性较差,高温时易生成绝缘相Ln2Zr2O7.相比较而言,对于掺杂型Ln2-xSrxM1-yMy/O4(Ln=La,Sm,Nd;M,M/=Cu,Fe,Ni,Co)阴极材料与传统固体电解质CGO、LSMG和YSZ等具有很好的化学相容性,高温条件下二者之间不发生化学反应.与传统的钙钛矿相比,具有相同组成元素的Ln2MO4型氧化物具有更低的热膨胀系数,并且与固体电解质有很好的热匹配性.电导率数值的大小是衡量阴极材料性能的重要指标.研究结果显示,Ln2MO4氧化物在400～600℃的混合电导率数值为40～100S/cm,且镍酸盐和钴酸盐体系普遍具有较高的数值,这对阴极来说是极为有利的....     

新型固体氧化物燃料电池阴极材料Ca2-xSrxFe2O5的电化学性能研究

采用固相法合成了固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极材料2-xSrxFe2O5(x=0.00,0.05,0.10,0.15,0.20),利用XRD和SEM对其结构和微观形貌进行了表征.结果表明该阴极材料与固体电解质Sm0.8Ce0.2O1.9(SDC)在1000℃烧结时不发生化学反应,且烧结4 h后,二者之间可形成良好的接触界面.利用交流阻抗谱技术对阴极材料的电化学性能进行研究,结果显示,阴极上的反应过程主要为电荷的迁移反应,其中Ca1.95Sr0.05Fe2O5电极在空气中700℃下具有最小的极化电阻为0.95Ω·cm2.当测试温度为700℃时,阴极电流密度为74mA·cm-2时,阴极过电位为100mV.     

质子导体固体氧化物燃料电池的Ba_2Co_9O_(14)阴极材料

Ba2Co9O14(BCO)是一种新型的电子-氧离子混合导体,在氧离子导体的固体氧化物燃料电池(SOFC)中,其作为阴极材料的应用可能性已经得到证实,本工作探索BCO在质子导体SOFC中的应用可能性。采用固相反应法制备BCO粉体,研究BCO与质子导体电解质BZCY(Ba Zr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ)之间的化学相容性,分析BCO-BZCY复合阴极在BZCY电解质上的电化学性能。当复合阴极中BCO的质量含量为70%时,阴极性能最佳,界面阻抗活化能为1.26 e V。以BCO-BZCY为阴极,Ni-BZCY为阳极,BZCY为电解质的阳极支撑型单电池,700℃时,单电池的极化阻抗为0.15Ω·cm2,最大功率密度为400 m W·cm-2。     

高性能Sm0.5Sr0.5CoO3阴极的制备与表征

用固相合成法合成了Sm0.5Sr0.5CoO3 (SSC)中温固体氧化物燃料电池阴极材料.以La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3为电解质,利用多种技术考察了不同温度(1173～1373 K)焙烧的SSC阴极,以及1173 K 焙烧、掺杂La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3(LSGMC5)或La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.09Co0.11O3 (LSGMC11)高氧离子电导材料的复合SSC阴极.SEM的结果显示,随着电极焙烧温度的增加,电极的颗粒度增大,孔隙度减小；LSGMC5、LSGMC11的掺杂对电极微观结构影响不大.交流阻抗和极化实验的结果表明,SSC电极的活性随电极焙烧温度的增加而减小,电极的最佳焙烧温度在1173 K左右；掺杂了LSGMC5或LSGMC11的复合SSC电极的活性以及稳定性显著高于SSC电极.     

Sm0.5Sr0.5Co0.4M0.6O3 (M=Co,Mn, Fe)作为IT-SOFCs阴极的结构与性能

通过X射线衍射(XRD)、热重、热膨胀、电导率以及交流阻抗等测试方法, 研究了Sm0.5Sr0.5Co0.4M0.6O3(M=Co, Mn, Fe; 分别简写为SSCC, SSCM, SSCF)作为中低温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)阴极的结构与性能. 研究表明, 固相法合成的Sm0.5Sr0.5Co0.4M0.6O3均为正交钙钛矿型结构, 材料的结构参数和性能都与M元素半径及M—O的键能有关. 晶胞参数随着Co、Mn、Fe的顺序增大.材料的氧空位浓度、热膨胀系数、电导率、电极催化活性随着Co、Fe、Mn的顺序降低. 同时由于SSCM较低的氧空位浓度, 使得电极反应受到氧在电极内的扩散过程控制, 具有较差的电极催化性能, 而SSCC和SSCF较高的氧空位浓度, 电极反应同时受到电极表面氧还原反应和氧离子在电极中的扩散过程混合控制. 由于SSCF具有较高的氧扩散系数, 使得700 ℃以上SSCF电极表面氧还原电阻(ASR)也低于SSCC的, 因而出现了SSCF的总电极催化活性高于SSCC的现象.     

钒改性锂离子电池正极材料LiFe0.5Mn0.5PO4/C电化学性能

采用高温固相反应,以NH4VO3为钒源合成了化学计量式为(1-x)LiFe0.5Mn0.5PO4-xLi3V2(PO4)3/C (x=0,0.1,0.2,0.25,1)的钒改性磷酸锰铁锂正极材料.电化学测试表明钒改性能明显提高磷酸锰铁锂材料的充放电性能,其中x=0.2时得到的0.8LiFe0.5Mn0.5PO4-0.2Li3V2(PO4)3/C(标记为LFMP-LVP/C)材料电化学性能最好,其0.1C倍率时的放电比容量为141 mAh·g-1.X射线衍射(XRD)分析指出LFMP-LVP/C材料的微观结构为橄榄石型LiFe0.5Mn0.5PO4/C和NASICON型Li3V2(PO4)3组成的双相结构.能量色射X射线谱(EDS)分析结果指出,Fe、Mn、V、P元素在所合成材料中的分布非常均匀,表明所制备材料成分的均一性.Li3V2(PO4)3改性使材料的电导率明显提高.LiFe0.5Mn0.5PO4的电导率为1.9×10-8 S· cm-1,而LFMP-LVP材料电导率提高到2.7×10-7 S·cm-1.与纯Li3V2(PO4)3的电导率(2.3×10-7 S·cm-1)相近.电化学测试表明钒改性使LFMP-LVP/C材料充放电过程电极极化明显减小,从而电化学性能得到显著提高.本文工作表明Li3V2(PO4)3改性可成为提高橄榄石型磷酸盐锂离子电池正极材料电化学性能的一种有效方法.     

钒改性锂离子电池正极材料LiFe0.5Mn0.5PO4/C 电化学性能

采用高温固相反应,以NH4VO3为钒源合成了化学计量式为(1-x)LiFe0.5Mn0.5PO4-xLi3V2(PO4)3/C(x=0,0.1,0.2,0.25,1)的钒改性磷酸锰铁锂正极材料.电化学测试表明钒改性能明显提高磷酸锰铁锂材料的充放电性能,其中x=0.2时得到的0.8LiFe0.5Mn0.5PO4-0.2Li3V2(PO4)3/C(标记为LFMP-LVP/C)材料电化学性能最好,其0.1C倍率时的放电比容量为141mAh·g-1.X射线衍射(XRD)分析指出LFMP-LVP/C材料的微观结构为橄榄石型LiFe0.5Mn0.5PO4/C和NASICON型Li3V2(PO4)3组成的双相结构.能量色射X射线谱(EDS)分析结果指出,Fe、Mn、V、P元素在所合成材料中的分布非常均匀,表明所制备材料成分的均一性.Li3V2(PO4)3改性使材料的电导率明显提高.LiFe0.5Mn0.5PO4的电导率为1.9×10-8S·cm-1,而LFMP-LVP材料电导率提高到2.7×10-7S·cm-1.与纯Li3V2(PO4)3的电导率(2.3×10-7S·cm-1)相近.电化学测试表明钒改性使LFMP-LVP/C材料充放电过程电极极化明显减小,从而电化学性能得到显著提高.本文工作表明Li3V2(PO4)3改性可成为提高橄榄石型磷酸盐锂离子电池正极材料电化学性能的一种有效方法.     

Ce1－xPrxO2－δ (x＝0.05～0.30)固溶体的合成及其性质研究

利用溶胶-凝胶法合成了固溶体Ce1－xPrxO2－δ (x＝0.05～0.30). X射线衍射(XRD)分析表明, 在x≤0.30的范围内形成了单相萤石结构固溶体Ce1－xPrxO2－δ; X射线光电子能谱(XPS)结果表明, 样品中氧缺位浓度随掺杂量增大而增大, 铈离子主要为Ce4＋离子, 镨离子以混合价态Pr3＋和Pr4＋存在; 拉曼光谱(Raman)观察到两个峰, 458 cm－1峰为特征F2g振动谱带, 较宽的570 cm－1峰与样品中氧离子缺位有关; 交流阻抗谱测试表明, 固溶体Ce1－xPrxO2－δ的电导率随掺杂量增加而增大, x＝0.2时, 电导率达到最大, 活化能较低, σ600 ℃＝3.28×10－2 S/cm, σ700 ℃＝6.06×10－2 S/cm, Ea＝0.54 eV (250～650 ℃), Ea＝0.49 eV (650～800 ℃).     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Nd2-xSrxCuO4的制备与性能研究

采用固相法合成了类钙钛矿结构的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)阴极材料Nd2-xSrxCuO4(简称NSC,x=0.0～0.1).通过XRD和SEM对材料进行了表征.结果表明该阴极材料与电解质Ce0.9Gd0.1O1.9(CGO)在1 000℃烧结4 h后不发生化学反应,具有良好的化学相容性;且烧结后二者之间能形成良好的接触界面.利用交流阻抗谱研究了电极的性能.发现随着Sr掺杂量的增加,极化电阻逐渐减小,其中Nd1.93Sr0.07CuO4在空气中的极化电阻最小,750℃时仅为0.14 Ω·cm2.700℃时,电极反应的速率控制步骤为电极上发生的电荷转移过程.