固-溶法制备中温固体氧化物燃料电池高性能La0.8Sr0.2MnO3-Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3阴极

研究了新型固溶法合成La_0.8Sr_0.2MnO₃（LSM）包覆Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O₃（BSCF）复合粉体（LSM-BSCF）,并探讨了其作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料的电化学性能。LSM-BSCF阴极结合了LSM和BSCF阴极的优点,不仅增大了三相界面,而且稳定了微观结构。当温度为600-750℃时,其极化阻抗为0.61-0.09 Ω·cm²。与溶液注入法制备的高性能电极相比,极大地提高了性能稳定性。     

新型阴极材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-σ制备与性能研究

Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-σ(BSCF), a new cathode material for solid oxide fuel cell (SOFC), was synthesized by polyacrylicacid (PAA) method. The lattice structures of samples calcined at different temperatures were characte-rized by XRD. Shrinkage, porosity and pore size of the porous BSCF as a function of sintering temperature were investigated. It was found that the cubic perovskite structure could be formed after calcination at 800 ℃ for 2 h, but not well crystallized as seen from some unknown phases, and the pure cubic perovskite structure was formed after calcination at 1 150 ℃ for 2 h. The particle size of BSCF was less than 1～2 μm. The shrinkage of the porous BSCF increased with sintering temperature, but the opposite was true for the porosity. After sintering at 1 100 ℃ for 4 h, the porous BSCF was still in an appropriate structure, with porosity of 29% and electrical conductivity above 400 S·cm^-1.     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料LaBiMn2O6的制备与性能

采用固相法合成了中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)阴极材料LaBiMn₂O₆,并利用X射线衍射(XRD)和电化学阻抗谱(EIS)进行表征。结果表明该材料与电解质Ce_0.7Bi_0.3O_1.85(CBO)在1000℃烧结12h不发生反应。交流阻抗和直流极化测试结果发现,阴极极化电阻随测试温度的增加而逐渐减小,700℃空气中的极化电阻为0.71Ω·cm²;氧分压测试结果显示,在600~700℃范围内,电极反应的速率控制步骤为电极上发生的电荷转移反应。电极过电位为85mV时,700℃的阴极电流密度达到216mA·cm^-2,表明LaBiMn₂O₆是一种潜在的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)阴极材料。     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料LaBiMn2O6的制备与性能研究

采用固相法合成了中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)阴极材料LaBiMn₂O₆,并利用X射线衍射(XRD)和电化学阻抗谱(EIS)进行表征.结果表明该材料与电解质Ce_0.7Bi_0.3O_1.85(CBO)在1 000 ℃烧结12 h不发生反应.交流阻抗和直流极化测试结果发现,阴极极化电阻随测试温度的增加而逐渐减小,700 ℃空气中的极化电阻为0.71 Ω·cm²;氧分压测试结果显示,在600~700 ℃范围内,电极反应的速率控制步骤为电极上发生的电荷转移反应.电极过电位为85 mV时,700 ℃的阴极电流密度达到 216 mA·cm^-2 ,表明LaBiMn₂O₆是一种潜在的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)阴极材料.     

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     

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%。     

质子导体固体氧化物燃料电池的Ba2Co9O14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 （BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.2O_3-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 eV。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0.15 Ω·cm²,最大功率密度为400 mW·cm^-2。     

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。     

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.     

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%。     

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.     

钙钛矿型氧化物Ln0.5Sr0.5CoO3的制备与电输运性能

采用固相反应法合成钙钛矿氧化物材料Ln0.5Sr0.5CoO3（h=La，Pr，Nd，Sm，Eu）的超细粉体，研究了不同稀土元素掺杂时的晶体结构和电输运性能，分析了该钙钛矿体系结构的形成过程。实验表明，当烧结温度达到1200℃时，通过固相反应法可以形成稳定的单一的钙钛矿相。样品电导率在700℃附近出现最大值，低温段的导电行为符合小极化子导电机制，La0.5Sr0.5CoO3材料的电导率在中温范围内最大，适合作为中温固体燃料电池的阴极材料。     

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.     

Ultrasonic Study on Jahn-Teller Distortions in La1=3Sr2=3CoO3

The longitudinal ultrasonic velocity (Vl), attenuation (ffl), magnetization and resistivity of single phase polycrystalline La1=3Sr2=3CoO3 were measured as a function of temperature from 20 K to 300 K. The resistivity shows metallic behavior in the whole temperature range and a kink at 235 K was observed, which coincides with the ferromagnetic transition temperature (Tc). As the temperature cools down from Tc, the Vl softens conspicuously at beginning and reaches a minimum at 120 K. After that the Vl dramatically stiffens below 120 K accompanied by a wide attenuation peak. The analysis of the results suggests that these ultrasonic anomalies may correspond to local lattice distortions via the Jahn-Teller effect of intermediate spin Co3+.     

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.     

La0.7Sr0.3CoO3-δ钙钛矿催化剂表征及其催化氧化碳黑性能研究

为了研究La_(0.7)Sr_(0.3)CoO_(3-δ)钙钛矿催化剂对碳黑的催化氧化过程,本研究通过研究催化剂和碳黑的两种不同接触方式,即紧密接触与松散接触,讨论了其对碳黑催化氧化过程的影响。结果表明,与松散接触和无催化剂接触条件相比,紧密接触条件下碳黑的tig(起燃温度)分别下降了89.5和157.4℃,同时随着催化剂/碳黑的比例增加,碳黑氧化的tig、tm(最大转化温度)、tf(燃净温度)均向低温区域移动,表明该催化剂对碳黑有着良好的催化氧化性能。     

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。     

新型导电陶瓷Sm0.9Sr0.1Al0.5Mn0.5O3-δ的制备及其电性能研究

采用有机凝胶法结合固相烧结技术制备了Sm0.9Sr0.1Al0.5Mn0.5O3－δ (SSAM9155)新型导电陶瓷. 通过TG/DTA, FTIR, XRD, SEM和直流四引线法系统研究了凝胶前驱体的热分解及其相转化过程和烧结体的结构、相稳定性、微观形貌、电导率以及电输运机制. 结果表明, 凝胶前驱体在900 ℃焙烧5 h可以形成完全晶化的四方钙钛矿相纳米粉体; 高温烧结制得的SSAM9155陶瓷的电导率取决于p型电导, 电导率随温度的升高而增大, 导电行为符合p型小极化子跳跃机制; 随烧结温度的升高或保温时间的延长, SSAM9155陶瓷的电导率和相对密度都先增大后减小, 1600 ℃烧结10 h制得的SSAM9155陶瓷具有最高的电导率和相对密度(98%), 该样品在空气和氢气气氛中850 ℃时的电导率分别为8.21和1.26 S•cm－1, 表观活化能分别为0.265和0.465 eV. 具有较高电导率的Sr, Mn掺杂的SmAlO3导电陶瓷有望成为一种新型的固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极材料.