利用钐掺杂的氧化铈夹层提高燃料电池阳极的活性

考察了Ni-钐掺杂的氧化铈(Ni-SDC)复合阳极与La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3(LSGM)电解质中间加入的SDC 中间层对阳极及整个电池性能的影响.结果表明，SDC中间层的加入显著减小了阳极极化过电位，但同时引入了欧姆降，降低了电池的功率输出密度.氢在Ni-SDC电极的氧化主要由两个过程控制，分别对应于交流阻抗谱的两个阻抗半圆，高频环随着SDC中间层的加入显著减小，可能对应于H2在Ni-SDC/SDC/H2三相界的电化学氧化或氧从LSGM向SDC的传输，低频环与SDC中间层无关，可能对应于氢在电极表面的解离吸附及吸附物种的扩散过程.使用Ni-SDC/SDC夹层阳极可以明显地提高电池的稳定性.     

多壁纳米碳管空气电极的交流阻抗研究

研究了多壁纳米碳管、活性炭和石墨等空气电极的交流阻抗特性.结果表明,纳米碳管空气电极的阻抗谱由两个半圆组成,高频区半圆对应欧姆极化阻抗,低频区半圆对应电化学极化阻抗.催化剂Pt以纳米颗粒的形式沉积在碳管的外表面,明显减小了电极的欧姆阻抗和电化学极化阻抗,提高了氧还原反应的电催化活性.活性炭电极除存在电化学阻抗外,还存在薄液膜扩散阻抗(Nernst扩散),石墨电极形成的薄液膜反应区域较小,电极反应呈Warburg扩散阻抗特征,相应的电催化活性较低.采用交流阻抗等效电路分析方法,对拟合的动力学数据进行了解释.     

Sm0.5Sr0.5CoO3阴极氧还原动力学

利用极化、交流阻抗技术考察了担载于La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3(LSGM)电解质上的Sm0.5Sr0.5CoO3- La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3(SSC-LSGMC5)复合阴极的氧还原反应动力学.在SSC-LSGMC5阴极氧还原反应的阻抗谱中可以观察到明显的两个半圆.高频环的电导与氧分压无关,低频环的电导正比于氧分压的0.5次方.并且低频环的氧分压级数随着反应温度的降低而减小,可能对应于吸附氧原子的扩散过程. SSC-LSGMC5极化曲线与经典的Butler-Volmer方程吻合.阴、阳极的电荷转移系数均为1左右,交换电流密度的氧分压级数为1/4,对应于电荷转移过程. 实验结果显示SSC-LSGMC5上的氧还原反应机制随反应条件的不同而发生变化.     

Sm_(0.5)Sr_(0.5)CoO_3阴极氧还原动力学

利用极化、交流阻抗技术考察了担载于La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3(LSGM)电解质上的Sm0.5Sr0.5CoO3-La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3(SSC-LSGMC5)复合阴极的氧还原反应动力学.在SSC-LSGMC5阴极氧还原反应的阻抗谱中可以观察到明显的两个半圆.高频环的电导与氧分压无关,低频环的电导正比于氧分压的0.5次方.并且低频环的氧分压级数随着反应温度的降低而减小,可能对应于吸附氧原子的扩散过程.SSC-LSGMC5极化曲线与经典的Butler-Volmer方程吻合.阴、阳极的电荷转移系数均为1左右,交换电流密度的氧分压级数为1/4,对应于电荷转移过程.实验结果显示SSC-LSGMC5上的氧还原反应机制随反应条件的不同而发生变化.     

高性能镓酸镧基电解质燃料电池

制备并用多种电化学方法研究了LaGaO3基高性能中温固体氧化物燃料电池的电极和电解质材料，组装出了高性能单电池.实验发现， Co掺杂的La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3电解质中， Co含量的增加显著提高了电解质的氧离子电导率，电解质的氧迁移数略有减小，是非常好的中、低温燃料电池电解质.钴掺杂的电解质不仅显著减小了电池的欧姆电阻，而且减小了电池的阴、阳极极化过电位.以La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.11Co0.09O3为电解质时电池在1073、973、873 K下的最大输出功率密度分别达到1.77、0.92、0.41 W•cm－2，是非常有前景的电池体系.     

金属酞菁类大环化合物对氧气还原反应催化行为的阻抗谱研究

通过电化学交流阻抗法研究了3种金属酞菁类大环化合物(FePc, CoPc, FeCoPc2)在碱性溶液中对氧气还原反应(ORR)的电化学催化行为, 各电极的交流阻抗 Nyquist 图谱在高频区和低频区均呈现出2个较明显的半圆和半圆之间(中频区)的压扁的弧形, 采用Zsimpwin阻抗谱分析软件对-02 V(vs. Hg/HgO)电位下的各交流阻抗谱进行等效电路拟合, 提出空气电极ORR反应的等效电路, 并对等效电路中各动力学参数进行了解释, 通过分析得出金属酞菁在碱性溶液中对ORR催化反应是一个伴随中间产物HO-2的2电子转移过程. 同时, 等效电路的拟合结果表明, FeCoPc2/C作为ORR催化剂对减小Rc+Rct效果比FePc/C和CoPc/C明显, 具有更高的催化活性.     

尖晶石LiMn2O4中锂离子嵌入脱出过程的电化学阻抗谱研究

运用电化学阻抗谱(EIS)研究了尖晶石LiMn2O4电极的首次充放电过程. 发现EIS谱高频区域拉长压扁的半圆是由两个半圆相互重叠而成的, 分别归属于与锂离子通过固体电解质相界面膜(SEI膜)的迁移和与尖晶石LiMn2O4材料的电子电导率相关的特征. 通过选取适当的等效电路, 对实验所得的电化学阻抗谱数据进行拟合, 获得尖晶石LiMn2O4电极首次充放电过程中SEI膜电阻、电子电阻和电荷传递电阻等随电极极化电位变化的规律. 根据研究结果提出了嵌锂物理机制模型.     

LSGMC5含量对于二甲醚燃料电池复合Ni-Fe阳极性能的影响

用浸渍法制备了掺杂不同质量分数的La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3-δ (LSGMC5)粉末的Ni8-Fe2-LSGMC5复合阳极, 并采用交流阻抗和直流极化技术考察了以氢气和二甲醚为燃气时该复合阳极的电化学性能及相应电池的功率输出特性. 结果表明, 在电极中掺入LSGMC5 粉末, 能显著地改善电极的形貌和电极/电解质界面结构, 减小欧姆电阻和极化电阻. 电极中LSGMC5 粉末含量对于氢气及二甲醚电化学氧化性能的影响显著不同. 以二甲醚为燃气时, 电极极化电阻随LSGMC5 粉末含量的增加而减小, 其中LSGMC5 掺杂量为30%的复合阳极具有最高的电化学性能, 相应电池在1073、1023、973 K 时的输出功率分别为1.00、0.61、0.40 W·cm-2; 以氢气为燃气时, LSGMC5 掺杂量为20%的复合阳极具有最好的电化学性能, 随着LSGMC5 掺杂量的进一步增加, 电极极化电阻显著增大.     

Cr(Ⅲ)盐在Pt电极和PbO电极上阳极氧化为铬酸盐的机理的研究

在[H₂SO₄]和[SO₄^2-]恒定的不同浓度Cr₂(SO₄)₃溶液中测定了Cr³⁺在光滑Pt和PbO₂电极上的稳态极化曲线和分解极化曲线,得到了氧的阳极发生和Cr⁶⁺阳极形成的动力学数据,提出了Cr(Ⅵ)是由Cr(Ⅲ)通过"活性氧"的氧化形成的反应机理。测得了PbO₂电极上不同过电位下电极反应的有效活化能,其数值均在41.9kJ/mol以上,且随着极化的增大而减小,据此在动力学处理中可以忽略扩散的作用。测得了在不同电位极化下PbO₂电极的阻抗频谱。在较高电位下阻抗谱呈现明显的两个半圆,表明电极过程包括了中间吸附物的形成。吸附电容C_ad比双层电容C_d大1-2个数量级;C_d比通常光滑电极表面的C_d大得多,这可能与阴离子的特性吸附有关。     

钒液流电池用石墨毡电极电化学活化机理的交流阻抗研究

研究了不同氧化程度下的石墨毡在钒溶液中的吸附性、润湿性及其交流阻抗图谱(EIS), 结果发现随着氧化程度增加, 吸附性和润湿性增强; 交流阻抗谱包括两个半圆和一条直线, 高频半圆对应离子的吸脱附反应, 低频半圆对应电化学反应, 直线对应离子在溶液中的扩散过程. 随石墨毡氧化程度的增加, 低频半圆显著减小, 通过等效电路拟合及动力学参数计算, 发现电荷传递电阻显著减小.     

Improvement of Ni/SDC anode by alkaline earth metal oxide addition for direct methane–solid oxide fuel cells

The anodic performances of Ni/CeO₂–Sm₂O₃(Ni/SDC) modified by the addition of alkaline earth metal oxides (MgO, CaO, and SrO) were investigated for direct oxidation of CH₄ in solid oxide fuel cells (SOFCs). Although the initial power density of cell with Ni/SDC anode modified by the addition of CaO was slightly lower than that of cell with Ni/SDC, the former anode exhibited an excellent stability compared to the latter one. Such a high stability of Ni–CaO/SDC anode may come from the inhibition of carbon deposition in addition to the retained ionic conductivity of anode.     

An octane-fueled low temperature solid oxide fuel cell with Ru-free anodes

A Ru-free anode was developed for the direct utilization of iso-octane in low temperature solid oxide fuel cells (SOFCs). The anode was consisted of a Ni framework and a nano-sized oxygen–ion conductor, samaria-doped ceria (SDC), which was coated onto the inner surface of the framework via an ion impregnation process. Compared with the cells based on conventional Ni–SDC anodes, single cells with the SDC-coated Ni anodes exhibited improved stability and enhanced electrochemical activity. Peak power density of 400 mW cm⁻² was achieved at 600 °C, and power generation was relatively stable over 260 h when iso-octane–air mixture was directly used as the fuel. The performance is comparable with those obtained using ceria-Ru as an internal reforming catalyst.     

Anodic behavior of nickel-based alloys in the electrolytic production of NF3

The Ni-based alloys, such as Ni-Co, Ni-Mn, Ni-Ag, Ni-Cu, Ni-Al and Ni-Si, prepared by hot isostatic pressing (HIP) at 1000 °C under 2 × 10⁸ Pa for 2 h were employed as the anodes for electrolytic production of NF₃. The current efficiencies for NF₃ formation were 42-38, 52-40, 52-47, 63-62, 50 and 41% for Ni-Co, Ni-Mn, Ni-Ag, Ni-Cu, Ni-Al and Ni-Si alloys, respectively. The current efficiencies only on Ni-Cu alloys with Cu concentrations lower than 10 mol% were almost the same as those on Ni sheet and HIPed Ni anodes, whereas those on the other alloys used in this study were smaller compared with those on both Ni anodes. On the other hand, the current losses caused by anodic dissolution of Ni-Co, Ni-Mn, Ni-Ag, Ni-Cu, Ni-Al and Ni-Si alloy electrodes were 7.95-4.42, 6.40-7.02, 5.60-6.30, 3.34-6.33, 5.10 and 0.18%, respectively. The anode consumptions of Ni-5 mol% Cu and Ni-5 mol% Si alloys were almost the same or smaller compared with those of Ni sheet and HIPed Ni electrodes, though those of other alloys used were large compared with those of both Ni anodes. Consequently, addition of Cu to the nickel matrix is available for a cheaper cost of anode with keeping a same current efficiency as that on the Ni anode and addition of Si to the nickel matrix is effective for decreasing anode consumption largely. A Ni sheet electrode containing a trace of impurities, such as Co, Mn, Ag and Al, is also favorable as the anode for electrolytic production of NF₃.     

二甲醚的电催化氧化反应

 考察了负载于镓酸镧基电解质上的镍电极与镍－钐掺杂氧化铈复合电极电催化二甲醚氧化反应的特性．结果表明，反应的主要产物均为CO，H2和CH4，同时生成少量完全氧化的产物H2O和CO2．在开路电位下二甲醚发生裂解反应，生成的CO，H2和CH4三种主要产物的比例接近于1．在有电泵氧存在下，二甲醚的电催化氧化反应强烈地依赖于阳极及电解质材料的组成．Ni／La0．9Sr0．1Ga0．8Mg0．2O3界面上发生的主反应是二甲醚的部分氧化，且存在有严重的积碳现象．电极中掺入SDC（15％Sm3＋－掺杂的CeO2）后，二甲醚完全氧化性能明显增强；随着电流的增大，氢的生成速率显著减小，并生成大量的H2O．采用掺钴镓酸镧基电解质后，Ni－SDC主要表现为催化二甲醚部分氧化反应，且显著抑制了积碳的发生．Ni－SDC／La0．8Sr0．2Ga0．8－Mg0．11Co0．09O3上二甲醚电催化氧化反应的主要产物为1∶1的CO和H2．掺钴电解质引起Ni－SDC具有特殊的催化性能，可能与电解质中p型电导的存在有关．     

利用Nafion膜和SFCN在低温常压下电化学合成氨

用溶胶-凝胶法制备了Ce0.8Sm0.2O2δ（SDC）和SmFe0.7Cu0.3-xNixO3（x=0,0.1,0.2,0.3）（SFCN）系列超细粉体,用XRD、TEM和SEM等方法对其进行了表征.分别将NiO-SDC和SFCN系列超细粉体干压成片并烧结成陶瓷,以SFCN系列陶瓷片为阴极,Nafion膜为电解质,NiO-SDC还原后得到的Ni-SDC金属陶瓷为阳极,银-铂网为集流体组成单电池,在低温常压下研究了其在电化学合成氨中的性能.结果表明：在25-100℃和施加电压的条件下,使用SFCN系列陶瓷片为阴极时均有氨气在阴极生成,其中SmFe0.7Cu0.1Ni0.2O3作阴极时电化学合成氨的性能最佳,在80℃时氨的合成速率为1.13×10^-8mol·s^-1·cm^-2,其电流效率为90.4%.     

阳极负载型SOFC阳极基底厚度对性能的影响

制备不同厚度阳极负载型YSZ薄膜固体氧化物燃料电池 ,并对电池的极化、放电性能进行了测试 .结果表明 ,电池的性能明显受阳极性能的影响 ,阳极过电位大的原因之一是受多孔阳极气体扩散的影响 .降低阳极基底的厚度 ,阳极过电位明显减小 ,电池性能明显提高 .当阳极基底厚度为 0 .5mm时 ,在 80 0℃工作温度下 ,电池的功率密度达到 0 .1 9W·cm- 2 ,较之阳极厚度为 1 .0mm的电池性能提高近 1 .5倍 (0 .1 3W·cm- 2 ) .     

薄膜型中温固体氧化物燃料电池 (SOFC)研制及性能考察

用一种廉价的湿化学方法 ,在Ni_YSZ阳极基膜上制备出致密的YttriaStabilizedZirconia(YSZ)薄膜 .薄膜的厚度约为 10 μm ,致密均匀 ,无裂纹等缺陷 .以Ni_YSZ阳极基膜 ,YSZ薄膜和锶掺杂锰酸镧阴极 (LSM )组装的SOFC单电池 ,在 80 0℃下功率密度达 0 1W /cm2 .研究分析表明 ,YSZ薄膜的IR降 (包括电极 /YSZ薄膜的接触电阻 )较小 ,不是影响电池性能的主要因素 ,大的阳极过电位是影响电池性能的主要因素 .