(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（Pr_0.9La_0.1）₂（Ni_0.74Cu_0.21Ga_0.05）O_4+δ（PLNCG）,并与Ce_0.9Gd_0.1O_2-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0.092 Ω·cm²;过电位为39.3 mV时,电流密度达到113.3 mA·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 mW·cm^-2,开路电压（OCV）为0.76 V。综上结果预示PLNCG-30% CGO复合阴极是一种有发展前景的电极材料。     

(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。     

(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。     

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.     

(Ce0.9Nd0.1)1-xMoxO2-δ(0.00≤x≤0.10)的合成、表征与电性能

采用溶胶-凝胶法合成(Ce0.9Nd0.1)1-xMoxO2-δ(x=0.00、0.02、0.05、0.10)氧化物,通过X射线衍射(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)等手段对氧化物进行结构表征,交流阻抗谱测试电性能.结果表明:所有样品均为单一萤石立方结构;少量MoO3的加入提高了材料的致密性,降低了材料的总电阻、晶界电阻和晶界电阻在总电阻中所占比例,提高了材料的电导率.1200 ℃烧结样品24 h,测试温度700℃时,(Ce0.9Nd0.1)1-xMoxO2-δ(x=O.00)总电导率和晶界电导率分别为0.05和O.19 S·m-1,掺Mo材料(Ce0.9Nd0.1)1-xMoxO2(x=0.02)的总电导率和晶界电导率分别为2.42和3.96 S·m-1.     

Gd0.2Ce0.8O2包覆LaNi0.6Fe0.4O3-δ阴极制备及性能

应用丝网印刷和共烧结制备LaNi0.6Fe0.4O3-δ/Sc0.1Zr0.9O1.95/LaNi0.6Fe0.4O3-δ对称电池.以硝酸铈和硝酸钆为原料,柠檬酸作燃料,燃烧合成Gd0.2Ce0.8O2(GDC)包覆的LaNi0.6Fe0.4O3-δ(LNF)阴极.实验表明,在750oC工作温度下,纯LaNi0.6Fe0.4O3-δ阴极的极化电阻为0.70Ω.cm2,而21.3%(by mass,下同,如无特殊标注均为质量分数)GDC包覆的LNF-GDC复合阴极的极化电阻最小(0.13Ω.cm2),活化能最低(136.80 kJ.mol-1),故其阴极性能最佳.GDC的包覆加速了气体/阴极/电解质三相界面反应区的扩散过程,降低了阴极极化电阻.     

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.     

中温固体氧化物燃料电池LaNi_(0.6)Fe_(0.4)O_(3-δ-)Gd_(0.2)Ce_(0.8)O_2梯度复合阴极制备及交流阻抗性能

应用丝网印刷和共烧结制备LaNi0.6Fe0.4O3-δ(LNF)-Gd0.2Ce0.8O2(GDC)梯度复合阴极/Gd0.2Ce0.8O2/Sc0.1Zr0.9O1.95(ScSZ)/Gd0.2Ce0.8O2/LaNi0.6Fe0.4O3-δ(LNF)-Gd0.2Ce0.8O2(GDC),组成梯度复合阴极对称电池.实验表明,在750 oC工作温度下单层70%LNF-30%GDC(文中均指质量百分比)复合阴极的极化电阻为0.581Ω·cm2,而三层60%LNF-40%GDC/70%LNF-30%GDC/100%LNF复合阴极的极化电阻最小(0.452Ω·cm2).由于阴极组成在ScSZ电解质和LNF阴极之间呈梯度变化,因此获得了最佳的阴极/电解质界面,大大加快了三相界面或气体/阴极/电解质三相接触点反应区的扩散,其电荷传递电阻Rct和浓差极化电阻Rd均减小,因而具有最低的阴极极化电阻值.     

La1-xSrxCu0.9Fe0.1O2.5-δ阴极材料的合成与电导率研究

采用低温燃烧合成技术制备了Lal-xSrxCu0.9Fe0.1O2.5-δ(x=0.1-0.4)粉体。利用X-射线衍射(XRD)和差热分析(DTA)技术对粉体的性能进行了表征。XRD结果表明,经800℃焙烧的La0.9Sr0.1Cu0.9Fe0.1O2.5-δ粉体的对称性较低,未形成钙钛矿结构,其余Lal-xSrxCu0.9Fe0.1O2.5-δ(x=0.2-0.4)粉体为四方钙钛矿结构,晶体结构参数之间满足关系式a=b≈2(2c)~(1/2)。DTA结果证明Lal-xSrxCu0.9Fe0.1O2.5-δ在800℃以下是热力学稳定的,不会发生分解反应。采用直流四电极法测试了Lal-xSrxCu0.9Fe0.1O2.5-δ试样在100—800℃之间的电导率。试样的电导率~(ln(σT)与1/T之间呈很好的线性关系,说明Lal-xSrxCu_(0.9)Fe0.1O2.5-δ在测试温度范围内服从小极化子导电机制。Sr掺杂量对试样的电导率和电导活化能有着明显的影响,当Sr掺杂量为0.3时,Lal-xSrxCu0.9Fe0.1O2.5-δ的电导率最高,电导活化能最小。     

Ba0.9Sr0.1Ce0.9Nd0.1O3-α陶瓷的离子导电性

用高温固相反应法制备了质子导电性陶瓷Ba0.9Sr0.1Ce0.9Nd0.1O3-α。用粉末X-射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对该陶瓷材料进行了表征;用交流阻抗谱技术和气体浓差电池方法研究了材料在500~900℃温度范围内、不同气体气氛中的离子导电性,并与BaCe0.9Nd0.1O3-α和Ba0.9Ca0.1Ce0.9Nd0.1O3-α材料的导电性进行了比较。结果表明,该陶瓷材料为单一钙钛矿型BaCeO3斜方晶结构,具有良好的致密性,在高温下、CO2或水蒸气气氛中具有较高的稳定性。在湿润氢气气氛中、500~800℃温度范围内,材料的质子迁移数为1,是一个纯的质子导体;在900℃下,质子迁移数为0.964,是一个质子与电子的混合导体,质子迁移数高于BaCe0.9Nd0.1O3-α(在700~900℃温度范围内,质子迁移数为0.95)。在湿润空气气氛中,材料的质子迁移数为0.019~0.032,氧离子迁移数为0.093~0.209,是一个质子、氧离子和电子空穴的混合导体,总电导率高于Ba0.9Ca0.1Ce0.9Nd0.1O3-α。在氢-空气燃料电池条件下,材料的离子迁移数为0.957~0.903,是一个质子、氧离子和电子的混合导体,离子电导率高于Ba0.9Ca0.1Ce0.9Nd0.1O3-α。     

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。     

中温固体氧化物燃料电池高氧电催化活性BaCe_(0.5)Fe_(0.4)Co_(0.1)O_(3-δ)阴极材料的研制

以Ba(NO_3)_2, Ce(NO_3)_3·6H_2O, Fe(NO_3)_3·9H_2O, Co(NO_3)_2·6H_2O等为原料,通过EDTA-柠檬酸法合成出BaCe_(0.5)Fe_(0.4)Co_(0.1)O_(3-δ)(BCFC)阴极粉体,并制得烧结体,对BCFC粉体和烧结体的相组成,微观组织和氧还原过程等进行测试分析;以BCFC作阴极, Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(2-δ)(SDC)为电解质,NiO-SDC为阳极,组装对称电池和单电池,并进行电化学性能测试分析。实验结果表明:所合成的BCFC粉体原位产生BaCe_(0.15)Fe_(0.75)Co_(0.1)O_(3-δ)和BaCe_(0.85)Fe_(0.05)Co_(0.1)O_(3-δ)两相; BCFC在700℃时的表面氧交换系数(K_(chem))为3.8×10~(-4) cm·s~(-1)。对称电池在600℃的比表面电阻(ASR)为0.819Ω·cm~2,400 h长期性测试和10次热震循环试验后, ASR保持在1.6Ω·cm~2左右;单电池在700和650℃时的最大功率密度分别为290和204 mW·cm~(-2),对应的开路电压分别为0.80和0.82 V。初步研究结果表明BCFC应用于中温固体氧化物燃料电池具有良好的电化学性能和稳定性。     

固体氧化物燃料电池La0.7Sr0.3Cr1-xMnxO3-δ阳极性能研究

采用溶胶凝胶法制备了La0.7Sr0.3Cr1-xMnxO3-δ(x=0.3,0.4,0.5,0.6)系列阳极粉体。在1000℃下焙烧后,XRD结果显示粉体物相为单一的钙钛矿相。制备以La0.7Sr0.3Cr1-xMnxO3-δ为阳极,Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)为电解质,Pr0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-δ-SDC复合阴极的电解质支撑型固体氧化物燃料单电池。由扫描电子显微镜(SEM)观察表明单电池电解质致密,阳极孔径分布均匀,厚度约为20μm,多孔阴极厚度为10μm。采用直流四电极法测试以La0.7Sr0.3Cr0.5Mn0.5O3-δ为阳极用湿氢气作燃料时在800℃下获得最大输出功率为232.84 mW.cm-2,短路电流为0.92 A.cm-2。     

单室固体氧化物燃料电池阴极材料La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3的电化学性能研究

采用高温固相法制备了La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3(LSCM)并利用XRD,SEM以及电化学阻抗谱(EIS)分别对粉体及电极进行研究。结果发现LSCM在C3H8-O2-N2混合气氛下能够保持很好的高温化学稳定性,且与电解质材料YSZ在1400℃空气气氛下不发生化学反应。电化学测试结果表明,阳极支撑型单室固体氧化物燃料电池Ni-YSZ|YSZ|LSCM在700℃、C3H8-O2-N2混合气氛下的短路电流密度达317 mA·cm-2,最大功率密度73 mW·cm-2。将LSCM与CGO形成梯度阴极,相同测试条件下,单室电池的短路电流密度为560 mA·cm-2,功率密度达到110 mW·cm-2,电池输出性能提高约50%。     

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.     

Ga掺杂La9+x/3(GeO4)6-x(GaO4)xO1.5的合成及导电性能研究

利用固相法合成系列Ga掺杂缺陷氧锗氧基磷灰石La9+x/3(GeO4)6-x(GaO4)xO1.5(sx=0,0.5,1,1.5).X射线粉末衍射结果表明:反应物在1350℃烧结24 h即可得到磷灰石结构的纯相产物.700℃时La9.5((GeO4)4.5(GaO4)1.5O1.5的电导率达到3.162×10-3 S·cm-1,是同温度La9(GeO4)6O1.5(1.259×10-3 S·cm-1)电导率的2.5倍.氧分压测试结果表明:材料的电导率在Po2=1～105 Pa保持不变,证明材料在较宽的氧分压范围内为O2-导电.     

Zr掺杂对正极材料Li(Ni0.9Co0.05Al0.05)O2的电化学性能影响

通过控制结晶法制备类球形Ni_(0.9)Co_(0.05)Al_(0.03)Zr_(0.02)(OH))2前驱体,与LiOH·H_2O均匀混合后,在750℃下于氧气中进行高温焙烧,最终合成正极材料Li(Ni_(0.9)Co_(0.05)Al_(0.05))O_2。扫描电子显微镜(SEM)结果显示前驱体及正极材料具有良好的形貌;X射线衍射(XRD)表明材料具有规整的六方单相层状α-Na FeO_2结构;能谱仪(EDXS)分析表明Zr元素在材料颗粒内部呈均匀分布。合成的Ni_(0.9)Co_(0.05)Al_(0.03)Zr_(0.02)O_2正极材料具有良好的电化学性能,在25℃,2.8~4.3 V充放电条件下,0.2C首次放电比容量为221.5 m Ah·g-1,充放电效率90.3%,2C倍率充放电条件下容量仍达到192.7 m Ah·g-1,100周循环后的容量保持率为92.2%。在55℃,2.8~4.3 V的高温充放电条件下,该材料的0.2C首次放电比容量可达236.2 m Ah·g-1,2C充放电倍率下循环100周容量保持率为85.1%。     

Ba0.9La0.1Ce0.9Nd0.1O3-α陶瓷的离子导电性

用高温固相反应法制备了Ba0.9La0.1Ce0.9Nd0.1O3-α质子导电性陶瓷,粉末X-射线衍射(XRD)分析表明,该陶瓷为单一钙钛矿型斜方晶结构。在500~900℃温度范围内,分别用气体浓差电池方法和交流阻抗谱技术研究了材料在不同气体气氛中的离子导电性,并与Ba0.9Ca0.1Ce0.9Nd0.1O3-α材料的离子导电性进行了比较。结果表明,在500~900℃温度范围内、湿润氢气中,Ba0.9La0.1Ce0.9Nd0.1O3-α材料的质子迁移数为1,是一个纯的质子导体。在干燥空气中,该材料是一个氧离子和电子空穴的混合导体,氧离子迁移数为0.295~0.081,氧离子电导率高于Ba0.9Ca0.1Ce0.9Nd0.1O3-α。在湿润空气中,该材料是一个质子、氧离子和电子空穴的混合导体,质子迁移数为0.151~0.009,氧离子迁移数为0.300~0.107,质子电导率低于Ba0.9Ca0.1Ce0.9Nd0.1O3-α材料。在氢-空气燃料电池条件下,Ba0.9La0.1Ce0.9Nd0.1O3-α材料是一个质子、氧离子和电子的混合导体,离子迁移数为0.964~0.853,离子电导率与Ba0.9Ca0.1Ce0.9Nd0.1O3-α材料相近。     

单斜Li3V2(PO4)3/C复合材料的制备及其电化学性能

以LiOH·H2O、V2O5、H3PO4和蔗糖为原料,采用软化学法制备了锂离子电池正极材料Li3V2(PO4)3/C.通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)对产物的结构和形貌进行表征,采用恒电流充放电、电化学阻抗考察了产物的电化学性能.结果表明.当煅烧温度达到700℃时,杂质相衍射峰消失,所得的样品为纯相的单斜Li3V2(PO4)3.颗粒粒度为1～2 μm;在3.0～4.5 V电压范围内以0.2C倍率充放电,首次放电比容量达到148.2 mAh·g-1,第50次循环比容量仍为144 mAh·g-1,容量保持率为97%,具有良好的循环性能;另外,样品还具有很好的倍率性能和高温性能.     

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-La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3-δ-Ce0.8Sm0.2O2-δ复合阳极为支撑、以Ce0.8Gd0.2O2-δ(GDC)为电解质、以La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3-δ(LSCF)-Ce0.8Gd0.2O2-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.