钐锶钴阴极/镧锶镓镁电解质界面的元素扩散

采用X射线衍射、扫描电镜及电化学方法考察了固体氧化物燃料电池钐锶钴(Sm0.5Sr0.5CoO3-δ,SSC)阴极烧结温度和时间对镧锶镓镁(La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δLSGM)电解质的导电行为和电解质/阴极界面电化学性质的影响.结果表明,当SSC阴极的烧结温度由1173 K升高到1323 K时,LSGM/SSC界面形成了LaSrGaO4和LaSrGa3O7杂相:当烧结温度升高到1373 K时,还形成了高电子电导率的La-Sr-Co-O复合化合物.Co元素的扩散导致LSGM电解质电子电导率升高,氧离子迁移数和电池开路电压降低.延长SSC阴极烧结时间,LSGM电解质的欧姆电阻增大,电解质氧离子迁移数和电池的开路电压降低,这足由于延长SSC烧结时间加剧了LSGM/SSC界面上高阻抗相LaSrGaO4和LaSrGa3O7的生成.阴极中人量Co元素的扩散改变了LSGM电解质内部组成与结构.     

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.     

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.     

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。     

复合阳极在甲烷燃料电池中的应用和研究

采用共压-共烧结的方法制备以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 400～650 ℃范围内,以干甲烷为燃料气,氧气为氧化气,测试了单电池的性能.用SEM对单电池进行微观结构分析,并对电池在650 ℃进行了6 h的稳定性测试,结果表明,该电池在6 h的测试过程中功率有较大的衰减,单电池在650 ℃时得到电流密度和功率流密度分别为为258.26 mA/cm2,为51.31 mW/cm2.     

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。     

TiO2修饰La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ用于中温固体氧化物燃料电池的阴极

纳米TiO2修饰的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)阴极被直接应用于YSZ电解质电池上. TiO2可阻止LSCF和YSZ间的化学反应,抑制SrZrO3的形成. LSCF-0.25 wt% TiO2阴极电池在0.7 V和600°C下的电流密度是LSCF阴极电池的1.6倍.电化学阻抗谱结果表明, TiO2修饰显著加快了氧离子注入电解质的过程,这可能与TiO2抑制了阴极/电解质界面处高电阻SrZrO3层的形成有关.本文为在ZrO2基电解质上使用高性能的(La,Sr)(Co,Fe)O3阴极材料提供了一种简单有效的方法.     

TiO2修饰La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ用于中温固体氧化物燃料电池的阴极

纳米TiO2修饰的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)阴极被直接应用于YSZ电解质电池上. TiO2可阻止LSCF和YSZ间的化学反应,抑制SrZrO3的形成. LSCF-0.25 wt% TiO2阴极电池在0.7 V和600°C下的电流密度是LSCF阴极电池的1.6倍.电化学阻抗谱结果表明, TiO2修饰显著加快了氧离子注入电解质的过程,这可能与TiO2抑制了阴极/电解质界面处高电阻SrZrO3层的形成有关.本文为在ZrO2基电解质上使用高性能的(La,Sr)(Co,Fe)O3阴极材料提供了一种简单有效的方法.     

聚苯胺/Co_(0.5)Zn_(0.5)Fe_2O_4纳米复合材料的制备及电磁性能

采用高分子凝胶法制备尖晶石型Co0.5Zn0.5Fe2O4,原位聚合法制备纯聚苯胺和聚苯胺/Co0.5Zn0.5-Fe2O4纳米复合材料.使用傅立叶红外光谱(FTIR)、紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对复合材料进行了表征.FTIR和XRD的结果表明样品为纯聚苯胺和聚苯胺/Co0.5Zn0.5-Fe2O4.UV-Vis光谱表明聚苯胺/Co0.5Zn0.5Fe2O4苯环上的π-π*和n-π*分别红移了23nm和5nm.TEM照片可知,聚苯胺和聚苯胺/Co0.5Zn0.5Fe2O4粒子的平均粒径分别约为50nm和70nm.在8.2～12.4GHz测试频率范围内,聚苯胺/Co0.5Zn0.5Fe2O4的ε″数值在9.2～12.3之间,u″数值在0.15～0.16之间;聚苯胺/Co0.5-Zn0.5Fe2O4介电损耗低于纯聚苯胺,而磁损耗高于纯聚苯胺.     

掺银的Sm0.5Sr0.5CoO3中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料的制备与性能研究

采用硝酸盐分解方法在Sm0.5Sr0.5CoO3 (SSC)中掺入少量的银 (Ag), 形成可用于SOFC的多孔阴极材料 (SSC-Agx). 通过X射线衍射测试确定了材料的物相组成; 用SEM观测了中温电解质Ce0.8Sm0.2O1.9表面涂层电极的微结构; 利用电化学极化曲线和阻抗谱研究了这些材料中低温 (500～800 ℃)电化学性能, 确定掺Ag量和烧结温度对阴极电化学性能的影响. 结果表明, SSC在中温区掺20% Ag时具有最佳的电化学性能, 在600 ℃阴极总阻抗是SSC的1/11, 在750 ℃为SSC的1/4, SSC中掺Ag是提高阴极在中温区电化学性能的有效途径.     

SDC和SSC在低温常压电化学合成氨中的性能研究

用溶胶—凝胶法制备了Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)和Sm0.5Sr0.5CoO 3-δ（SSC）超细粉体,采用XRD、TEM和SEM等对粉体进行了观察和表征。分别以Ni-SDC和SSC为阴极, 磺化聚砜质子交换膜为电解质, Ni- SDC金属陶瓷为阳极,银-铂网做集流体组成单电池,在25℃～120℃温度范围内研究了其电导率随温度变化关系及在电化学合成氨中的性能。结果表明：在25℃～120℃温度范围内,使用Ni-SDC和SSC为阴极均有氨气生成,而SSC对电化学合成氨的性能优于Ni-SDC, 在80℃时氨产率达到了6.5×10-9 mol•s-1•cm-2。     

用湿化学法制备Sm0.5Sr0.5CoO3-La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3复合阴极及其性能表征

用湿化学法制备了Sm0.5Sr0.5CoO3(SSC)－La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.15Co0.05O3(LSGMC5)中温固体氧化物燃料电池复合阴极材料，其中SSC用甘氨酸－硝酸盐法合成，LSGMC5用柠檬酸盐法合成。XRD结果表明，甘氨酸－硝酸盐法制备的SSC在焙烧温度大于1223K即表现为单一的钙钛矿结构。随焙烧温度的升高，SSC粉末颗粒增大,导致含有高温烧结SSC的电极与电解质界面结合变差。采用多种技术考察了利用不同温度（1173－1373K）预烧的SSC粉末制备的SSC-LSGMC5阴极上进行的氧还原反应。结果表明，SSC-LSGMC5复合电极的性能显著依赖于电极中SSC粉末的预烧温度，当SSC粉末焙烧温度在1223K附近时，具有最小的欧姆电阻以及氧还原反应极化电阻，1A· cm-2电流密度下的极化过电位为0.077 V。     

Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ为阴极的中温固体氧化物燃料电池

 通过在阴极与氧化钇稳定的氧化锆电解质间添加Gd0.1Ce0.9O1.95 (GDC)隔层,成功地将Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF)阴极应用在中温固体氧化物燃料电池上. 由BSCF膜的高透氧率可知,BSCF在中温范围内具有很高的氧离子电导率. 在添加GDC隔层后,电池以空气为氧化剂时显示了很高的性能,极化电阻急剧下降,表明GDC隔层的添加是必要和有效的.     

一种抗CO2中毒的高电化学性能质子导体电解质

制备了一种高电化学性能的抗CO2中毒的低温质子导体固体氧化物燃料电池电解质BaZr0.4Ce0.4Y0.2O3(BZCY4),并通过双层共压法制备出NiO+BZCY4阳极支撑的单电池.该电池以质子导体材料BZCY4氧化物为电解质,钙钛矿型材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3(BSCF)为阴极,在750和400℃下的功率密度分别为219和57mW/cm2.     

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.     

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.     

Sm_(1.2)Sr_(0.8)Co_(1-x)Ni_xO_(4+δ)(x=0.0,0.1,0.2)粉体在低温常压下电化学合成氨中的阴极催化性能

用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了Ce0.8Sm0.2O2-δ(SDC)和Sm1.2Sr0.8Co1-xNixO4+δ(x=0.0,0.1,0.2)(SSCN)系列纳米粉体,并用热差分析、XRD粉末衍射和透射电镜方法对SSCN系列进行表征。以碳纸支撑的SSCN系列粉体为阴极、Nafion膜为电解质、碳纸支撑的NiO-SDC还原后得到的Ni-SDC粉体为阳极,以湿氢气和氮气为原料,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SSCN系列粉体为阴极时均有氨气生成,其中Sm1.2Sr0.8Co0.9Ni0.1O4+δ作阴极时电化学合成氨的性能最佳,在80℃和0.5V时氨的产率为4.89×10-9mol/(s·cm2)。     

Co3O4表面物种对甲醛氧化催化性能的影响

采用沉淀法制备了Co3O4催化剂,并将催化剂在流动的N2或O2气氛中于不同温度下进行预处理.通过X射线衍射(XRD)、热重-差示扫描量热分析(TG-DSC)、程序升温脱附(O2/CO2-TPD,HCHO-TPSR)和原位漫反射傅里叶变换红外光谱(in situ DRIFTS)等手段对催化剂表面物种进行了表征.结果表明,Co3O4-N2-200催化剂表面存在Co3+不饱和配位中心和丰富的弱配位氧负离子,容易形成双配位的甲酸盐,并转化成单配位的甲酸盐,进一步分解为产物.     

纳米Au粒子作为直接硼氢化钠-过氧化氢燃料电池阴极催化剂

采用浸渍还原法制备了纳米Au/C, 并将其用作直接硼氢化钠-过氧化氢燃料电池阴极催化剂. 通过X-射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)对催化剂进行结构和形貌分析, 结果表明10～20 nm的纳米Au粒子均匀地分散在Vulcan XC-72R碳黑表面上. 循环伏安测试表明, 在0.5 mol•L－1 H2SO4和2 mol•L－1 H2O2混合溶液中, 纳米Au/C在0.85 V处表现较强的不可逆还原电流. 以纳米Au/C为阴极催化剂, AB5储氢合金为阳极催化剂制成直接硼氢化钠-过氧化氢燃料电池. 电池在30 ℃下的最大功率密度可达到78.6 mW•cm－2. 当电池工作温度升高至50 ℃时, 电池的最大功率密度超过120 mW•cm－2. 此外, 研究了阴极溶液中H2SO4和H2O2浓度对电池性能的影响. 当阴极溶液中H2SO4浓度小于0.5 mol•L－1时, 酸浓度对电池性能影响较大; H2O2浓度对电池性能影响较小. 确定了阴极溶液中H2SO4和H2O2的最佳浓度分别为0.5和2 mol•L－1.     

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.