中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)阴极材料La2-xSrxNiO4的制备及性能研究

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料La_2-xSr_xNiO₄(简称LSN，x=0.0、0.2、0.4、0.6、0.8)，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电解质Ce_0.9Gd_0.1O_1.9(CGO)在1 100 ℃烧结时不发生反应，且烧结2 h后，二者之间可形成良好的接触界面。交流阻抗谱技术对该电极的电化学性能的研究结果表明，电极反应的速率控制步骤为电极上发生的电荷迁移反应，其中La_1.6Sr_0.4NiO₄电极在空气中700 ℃下的极化电阻为2.93 Ω·cm²。     

Ba0.4Sr0.6Co1-xFexO3-δ系阴极材料的制备和表征

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料Ba_0.4Sr_0.6Co_1-xFe_xO_3-δ(x=0.0～0.8)系列粉体。利用XRD和SEM对材料的结构和微观形貌进行分析,用直流四端子法测量了烧结陶瓷体在中温(450～800 ℃)范围内的电导率。结果表明,制备的样品为单一钙钛矿相,随着Fe含量增加,XRD衍射峰值向高角度方向稍有偏移。电导率随着温度及Fe含量的变化出现极大值,在x＜0.2时,Ba_0.4Sr_0.6Co_1-xFe_xO_3-δ系列烧结体在中温(450～800 ℃)区的电导率,随Fe掺入量的增大而增大,x=0.2样品的电导率最高,800 ℃时达244.7 S·cm^-1,远超过文献报道值,进一步增大Fe含量导电性能变差。     

新型中温固体氧化物燃料电池阴极材料Fe掺杂Sm0.5Sr0.5CoO3性能研究

本文系统研究了新型中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)阴极材料Sm_0.5Sr_0.5Co_1-xFe_xO_3－δ(SSCF)的晶体结构、热膨胀系数、导电率及电化学性能。固相合成的Sm_0.5Sr_0.5Co_1-xFe_xO_3－δ化合物均为单相材料，随着掺Fe量的不同，SSCF的晶体结构发生变化，在0≤x≤0.4时，SSCF为正交晶系钙钛矿结构，在0.5≤x≤0.9时，SSCF为立方晶系钙钛矿结构。Fe掺杂可以显著的改善Sm_0.5Sr_0.5CoO₃的热膨胀系数，随着Fe含量的增加，热膨胀系数减小。在800℃下，SSCF导电率均大于100 S·cm^-1。随着Fe含量的增加，极化电阻增大；含量x=0.4时，极化电阻达到最大值；之后，随Fe含量的增加，极化电阻减小，在700～800 ℃时，Sm_0.5Sr_0.5Co_0.2Fe_0.8O_3－δ表现出了良好的氧催化活性。     

La2-xBixCuO4阴极材料的合成与电化学性质

采用甘氨酸-硝酸盐法合成了固体氧化物燃料电池阴极材料La_2-xBi_xCuO₄（x=0、0.05、0.10）,并利用X射线衍射（XRD）对材料的物相进行分析。结果表明,La_2-xBi_xCuO₄形成单一的类钙钛矿结构氧化物,且晶胞体积随着铋掺杂量的增加而增大。在950℃烧结24 h过程中,La_2-xBi_xCuO₄不与电解质Sm_0.2Ce_0.8O_1.9（SDC）发生反应,表明这种电解质材料具有良好的高温化学相容性。电导率测试结果表明Bi的掺入显著提高了材料电导率。程序升温脱附测试结果表明,铋的掺杂显著增强了材料的表面氧吸附能力。不同氧分压下的交流阻抗谱测试结果表明,La_1.9Bi_0.1CuO₄阴极在700℃空气中的极化电阻为0.26 Ω·cm²,以电解质SDC支撑的单电池NiO-SDC/SDC/La_1.90Bi_0.10O₄在700℃的最大输出功率密度为308 mW·cm^-2,电极反应的速控步骤为氧分子的扩散与表面吸附过程。     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Sm2-xCexCuO4的制备与性能研究

采用甘氨酸-硝酸盐法合成了新型中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)阴极材料Sm_2-xCe_xCuO₄(SCC，x=0.0～0.25)。利用XRD和SEM对材料的结构、化学稳定性和微观形貌进行分析表明，该阴极材料与电解质Ce_0.9Gd_0.1O_1.9(CGO)在1 000 ℃烧结时不发生反应;且烧结2 h后，二者之间形成良好的接触界面。利     

纳米钙钛矿LaxSr1-xFe1-yCoyO3复合氧化物的制备和表征

用甘氨酸-硝酸盐燃烧合成法，制备La_xSr_1-xFe_1-yCo_yO₃复合氧化物的陶瓷粉末，对该钙钛矿型氧化物进行了XRD、IR、紫外漫反射光谱及循环伏安曲线分析。结果表明：该复合氧化物粉体平均晶粒为15.3～29.8 nm,为立方和正交晶系。该氧电极具有双功能催化特性，但不完全可逆。对水溶液染料进行光解实验，利用紫外-可见、人工神经网络光度法研究La_xSr_1-xFe_1-yCo_yO₃的催化性能。结果表明：CO²⁺的加入可使La_xSr_1-xFeO₃的光催化活性有所提高，B位离子(Fe³⁺，CO²⁺)改变与加入，使La_xSr_1-xFe_1-yCo_yO₃(x=0.7，0.3；y=0.3，0.9，1)光催化活性高于La_xSr_1-xFeO₃。同时，对5种染料进行紫外光解，在0.75 h，脱色率大于91%，并为动力学一级反应。     

BaCe0.8-xNbxGd0.2O3-δ(0≤x≤0.45)的制备及性能研究

采用高温固相反应法制备了质子导体BaCe_0.8-xNb_xGd_0.2O_3-δ(0≤x≤0.45)。结合XRD、SEM、EIS等技术对其物相、微观形貌、稳定性及电导率进行了研究。结果表明,在1 600 ℃烧结5 h制备的质子导体BaCe_0.8-xNb_xGd_0.2O_3-δ(0≤x≤0.45)均能保持主相为斜方晶的钙钛矿结构。Nb的加入可明显提高烧结样品的致密性及在CO₂和水蒸气气氛下的稳定性。在湿润H₂/Ar(0.4%,V/V)气氛中800 ℃下,x=0.1样品的电导率为5.73 mS·cm^-1,电导活化能为0.35 eV,与x=0的样品相当。     

天然气中温SOFC阳极材料铒掺杂的氧化铈的制备与性能研究

采用溶胶-凝胶法合成了新型中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)阳极材料Ce_1-xEr_xO_y(x=0.00,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30)(EDC),并采用共压-共烧结法制备了以NiO-EDC复合阳极为支撑、以Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ(GDC)为电解质、以La_0.8Sr_0.2Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(LSCF)-GDC为复合阴极的单电池。利用XRD和SEM等方法对阳极材料EDC进行了晶相结构、微观形貌和化学相容性等分析。在400~700 ℃范围内,以加湿天然气(3% H₂O)为燃料气,氧气为氧化气测试了电池的电化学性能。结果表明：EDC阳极材料具有良好的孔道结构;11种不同阳极组成的单电池中50%(质量分数)NiO-50%(质量分数)Ce_0.85Er_0.15O_y(E15C85)阳极支撑的单电池具有最佳的电化学性能,在650 ℃时其最大电流密度为117.84 mA·cm^-2和最大比功率为24.37 mW·cm^-2。     

中温天然气燃料电池复合阳极NiO-La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ-Ce0.8Sm0.2O2-δ的制备和性能研究

采用共压-共烧结的方法制备了以NiO-La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O_3-δ-Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ复合阳极为支撑、以Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ(GDC)为电解质、以La_0.8Sr_0.2Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(LSCF)-Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ(GDC)为复合阴极的单电池,在400～700 ℃范围内,以加湿天然气(3% H₂O)为燃料气,氧气为氧化气,测试了电池的放电性能。利用XRD、SEM、EDX等手段对复合阳极进行结构、化学相容性、微观型貌和碳元素分析。分析结果表明,符合阳极具有较好的化学相容性,且阳极和阴极具有较好的孔隙、孔道结构。EDX测试结果表明有少量的碳沉积。在600 ℃进行了电池的稳定性测试。测试结果表明,该电池在13 h的测试过程中功率无明显衰减,具有较好的稳定性。复合阳极单电池在600 ℃得到最大电流密度,为215.49 mA·cm^-2;最大功率流密度为44.85 mW·cm^-2。     

La1-xSrxFeO3-δ系钙钛矿材料的表征和性能

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料La_1-xSr_xFeO_3-δ(x=0.0~0.6)系列粉体。用FTIR、TG-DTA、XRD等对产物形成过程及结晶学特征进行了研究，考察了合成样品与Sm_0.2Ce_0.8O_1.9(SDC)的化学相容性；利用碘滴定法测定了该系列产物中Fe元素的平均表观化合价和氧的非化学计量值。结果表明，所合成的系列样品均形成具有ABO₃型结构的钙钛矿固溶体。随A位取代Sr含量的增加，IR谱图上560 cm^-1附近B-O键伸缩振动的红外吸收峰蓝移，意味着钙钛矿产物中Fe-O键的共价性成分增强。实验还发现，Fe元素的平均化合价先随样品中Sr含量的增加而升高，并以La_0.6Sr_0.4FeO_3-δ样品达最高，而后降低；样品中氧的非化学计量值则随掺Sr量的增加单调增大。四探针法电导测量结果表明，在x≤0.4时，La_1-xSr_xFeO_3-δ系列陶瓷烧结体在中温(450~800 ℃)区的电导率，随Sr掺入量的增大而增大，La_0.6Sr_0.4FeO_3-δ样品的电导率最高，进一步增大Sr含量导电性能变差。在低温段，样品的导电行为符合小极化子导电机制。该系列材料与SDC电解质材料具有良好的化学相容性。     

固体电解质La2-xCaxMo1.7W0.3O9-δ(0≤x≤0.2)的合成、表征及电性能

在氧离子导体La₂Mo_1.7W_0.3O₉的基础上，采用固相法合成了La位掺杂的Ca系列新型氧化物La_2-xCa_xMo_1.7W_0.3O_9-δ(0≤x≤0.2)。通过XRD、Raman和XPS等手段对化合物结构进行表征，交流阻抗谱测试其电性能。结果表明：掺杂离子Ca²⁺的半径小于基质离子La³⁺的半径导致晶格收缩；Ca的掺杂在La₂Mo_1.7W_0.3O₉自身内置氧空位的基础上增加了额外的氧空位，提高了氧离子导体的电导率，550 ℃电导率由0.79 × 10^-4 S·cm^-1 (x=0.0)增加到1.5 × 10^-4 S·cm^-1 (x=0.16，0.2)，电导率增加89.9%。     

天然气和甲烷固体氧化物燃料电池中的Ni-LCCM-GDC阳极性能研究

采用溶胶-凝胶法合成了纳米粉体La_1-xCe_xCr_0.5Mn_0.5O_3-δ(x=0.05,0.10,0.15,0.20)(LCCM),并采用共压-共烧结法制备了以复合阳极Ni-La_0.9Ce_0.1Cr_0.5Mn_0.5O_3-δ-Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ(GDC)为支撑、GDC为电解质、La_0.8Sr_0.2Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(LSCF)-GDC为复合阴极的单电池。利用XRD和SEM等方法对阳极材料进行了晶相结构、化学相容性、微观形貌分析。在500~750 ℃范围内,分别以湿天然气(3% H₂O)和甲烷为燃料气,氧气为氧化气测试了单电池的电化学性能,同时检测了以甲烷为燃料气的阳极尾气组成。结果表明：复合阳极材料具有良好的化学相容性;阳极和阴极具有较好的孔隙结构。以天然气和甲烷为燃料气的单电池在700 ℃时最大电流密度分别为131.96 mA·cm^-2,162.36 mA·cm^-2; 最大比功率分别为28.61 mW·cm^-2,31.03 mW·cm^-2。在500~750 ℃范围内阳极尾气中均检测出CO,CO₂,在700 ℃时CO,CO₂含量达到最大值,分别为2.39254%,6.20891%。     

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_1.5La_0.5Mn_1-xCo_xO₄（SLMCO_x）,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Ce_0.9Gd_0.1O_1.95（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Mn³⁺和Co²⁺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_1.5La_0.5Mn_0.7Co_0.3O₄阴极在700℃空气中的极化电阻为0.62 Ω·cm²,明显小于Sr_1.5La_0.5MnO₄阴极在750℃的极化电阻（1.5 Ω·cm²）,表明钴掺杂的Sr_1.5La_0.5Mn_1-xCo_xO₄是一种潜在的IT-SOFC阴极材料。     

层状钴氧化物Bi2-xAgxSr2Co2O8-δ的高温热电性能及XPS研究

采用固相反应法制备了组成为Bi_2-xAg_xSr₂Co₂O_8-δ(x=0.0, 0.4, 0.8,略写为BAC-222)的层状钴氧化物陶瓷。利用X-射线光电子能谱考察该类化合物的电子结构,结果表明钴离子以Co³⁺和Co⁴⁺混合价态形式存在,n_Co⁴⁺/n_Co³⁺的比例随着Ag掺杂的量增加而增加。O1s光电子谱显示在所有样品中均存在点阵氧和吸附氧。热电性能测试结果显示,随着Ag掺杂量的增加,电导率显著增加而Seebeck系数几乎保持不变,Ag的引入极大的影响了BAC-222的电子输运性质,其功率因子在1 123 K时达到了1.23×10^-4 W·m^-1·K^-2,是一种具有很好应用前景的热电材料。     

Pr1－xSrxAlO3－δ的合成及其作为固体氧化物燃料电池阴极的性能研究

采用固相反应法合成了一系列样品Pr_1－xSr_xAlO_3－δ (x＝0, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5). XRD结果表明, Sr在A位上的固溶度约为20%; 利用交流阻抗法测量了样品的电导率, 结果表明, 电导率随着Sr掺入量的增加而增大, Pr_0.8Sr_0.2AlO_3－δ的电导率最大, 在850 ℃达到0.02 S/cm; 离子迁移数的测试结果说明, Pr_1－xSr_xAlO_3－δ为离子电子混合导体; 考察了它们作为固体氧化物燃料电池(SOFCs)阴极的性能, 极化曲线和阻抗的测试结果表明, 阴极性能随着Sr掺入量的增加而提高; 阴极稳定性测试结果表明, 在测量时间范围内, 阴极过电位随时间缓慢下降.     

CexPr1-xO2-δ复合氧化物的XRD和Raman表征

A series of Ce_xPr_1-xO_2-δ mixed oxides were synthesized by sol-gel method and characterized by Raman and XRD techniques. When x value was changed from 1.0 to 0.5, only a cubic phase CeO₂ was observed. The samples were very well crystallized on decreasing x from 0.50 to 0.99. For Ce_xPr_1-xO_2-δ samples 465 cm^-1 and 1 150 cm^-1 Raman peaks are attributed to the Raman active F_2g mode of CeO₂. The broad peak at about 570 cm^-1 in the region of 0.3 ≤x≤ 0.99 can be linked to lattice defects resulting in oxygen vacancies. The new band at about 195 cm^-1 may be attributed to the asymmetric vibration caused by the formation of oxygen vacancies. Calcination temperatures had great effect on the peak intensity for CeO₂ but less effect on Ce_0.8Pr_0.2O_2-δ in Raman spectra. It might be due to the transformation of the colors for the mixed oxides, the insertion of Pr atom into the ceria lattice could enhance the sintering resistance and thermal stability of the mixed oxides.     

Y1-xCaxBaCo2O5+δ的制备和性能表征

利用固相反应法合成了层状钙钛矿钴氧化物Y_1-xCa_xBaCo₂O_5+δ(x=0,0.1,0.15,0.2)材料,系统研究了材料的氧吸附性能和电输运性质。XRD结果表明Ca²⁺掺杂的样品具有母相YBaCo₂O_5+δ层状钙钛矿结构,随着Ca²⁺掺杂量的增加,样品的晶格参数增大。TG结果显示：从室温到1 273 K,所有样品经历了两次吸氧和脱氧的过程,Ca²⁺掺杂增强了样品的氧脱附性能。在中低温下,约650 K附近,吸氧量达到最大,同时,样品发生了半导体金属转变。Ca²⁺掺杂量的增加,半导体金属转变温度增大,电导率下降。半导体金属转变与氧变化量δ有关而电导率下降与Ca²⁺掺杂引起Co³⁺离子的增加有关。     

SrTi1-xMgxO3-δ钙钛矿型氧化物催化剂甲烷氧化偶联反应性能的研究

The structure and catalytic properties of SrTi_1-xMg_xO_3-δ perovskite-type catalysts for oxidative coupling of methane (OCM) have been studied by using X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and Temperature-programmed desorption (O₂-TPD) methods. It has been shown that doping Mg²⁺ cations to the B site of SrTi_1-xMg_xO_3-δ perovskite-type catalysts results in the formation of oxygen vacancies in the lattices of oxide cata-lysts. With increasing the amount of Mg²⁺ doped in the B site of SrTi_1-xMg_xO_3-δ, methane conversion and C₂ selectivity first increase and then decrease remarkably. The SrTi_1-xMg_xO_3-δ catalyst with x=0.1 has the highest methane conversion and C₂ yield. It is suggested that the oxygen vacancies produced by Mg²⁺ cations doping are the sites responsible for oxygen activation, and the adsorbed oxygen species on the surface of SrTi_1-xMg_xO_3-δ catalysts are the main active species for OCM reaction. However, the over high content of the adsorbed oxygen species on the surface results in the complete oxidation of methane. Introducing water steam into feedstock can improve the catalytic properties of SrTi_1-xMg_xO_3-δ perovskite-type catalysts for OCM reaction at lower temperature. The SrTi_0.9Mg_0.1O_3-δ catalyst has the methane conversion of 28.0 % with C₂ hydrocarbons selectivity of 36.8 % under reaction temperature of 550 ℃.     

中温固体氧化物燃料电池La1.6Sr0.4Ni1-xCuxO4阴极材料的制备及电化学性能

采用甘氨酸-硝酸盐法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料La_1.6Sr_0.4Ni_1-xCu_xO₄ (x=0.2, 0.4, 0.6,0.8), 利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(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Ce_0.9Gd_0.1O_1.95(CGO)在1000 °C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. 利用电化学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, 当Cu离子掺杂量(x)为0.6 时, La_1.6Sr_0.4Ni_0.4Cu_0.6O₄阴极具有最小的极化电阻, 在空气中当测试温度为750 °C时, 极化电阻为0.35 Ω·cm². 在不同氧分压条件下电化学阻抗谱分析结果表明, 电极上的两个氧还原反应主要包含氧离子从三相界面向电解质CGO 转移的过程和电荷的迁移过程, 其中电荷的迁移过程为电极反应的速率控制步骤.La_1.6Sr_0.4Ni_0.4Cu_0.6O₄电极在空气中700 °C和阴极电流密度为45 mA·cm^-2时, 阴极过电位为45 mV. 本研究的初步结果表明La_1.6Sr_0.4Ni_1-xCu_xO₄材料是一种电化学性能较为优良的新型中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)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_0.9La_0.1）₂（Ni_0.74Cu_0.21Ga_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_0.9Gd_0.1O_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（R_P）为0.134 Ω·cm²,比同组分的粉末阴极减少32%（R_P=0.197 Ω·cm²）。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 mW·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。