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.     

Pr掺杂对Ce5.2Sm0.8MoO15－δ晶界及电性能的影响

在Ce_5.2Sm_0.8－xPr_xMoO_15－δ体系中引入少量Pr得新氧化物Ce_5.2Sm_0.72Pr_0.08MoO_15－δ, 通过X射线衍射(XRD), 拉曼光谱(Raman), X射线光电子能谱(XPS), 场发射扫描电镜(FE-SEM)等手段对氧化物结构进行分析, 交流阻抗谱测试电性能; 讨论掺杂少量Pr对Ce_5.2Sm_0.8MoO_15－δ微观结构和电性能的影响. 结果表明, 少量Pr^3＋的掺杂可降低晶界电阻, 增加离子扩散通道, 降低体系的总电导激活能和晶界电导激活能, 提高氧化物的总电导率和晶界电导率; 500 ℃时掺Pr材料的晶界电导率为6.79×10^－3 S•cm^－1, 比未掺Pr材料的晶界电导率(5.61×10^－5 S•cm^－1)提高约2个数量级.     

钙钛矿型LaxSr1－xNi1－yCoyO3光电催化活性研究

用甘氨酸-硝酸盐燃烧合成法, 制备La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃复合氧化物的陶瓷粉末, 对钙钛矿氧化物进行了XRD结构分析. 在通氧或不通氧下测试氧还原和氧析出的循环伏安曲线. 结果表明: 该氧电极具有双功能催化特性, 但不完全可逆. 利用汞灯作为激发光源, 进行几种水溶性染料和五种混合染料光解实验, 利用紫外-可见、红外以及人工神经网络光度法研究La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃的催化性能. 结果表明: La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃ (x＝0.7, 0.9, 1; y＝0.3, 0.75)复合氧化物都具有较强光催化特性; La_xSr_1－xNi_1－yCo_yO₃的光催化活性高于La_xSr_1－xNiO₃, 这与B位离子(Ni^2—, Co^2－)的电子构型有关; Co^2＋的加入可使La_xSr_1－xNiO₃的光催化活性有所提高.     

Ce1－xNdxO2－δ固溶体的电子顺磁共振谱和阻抗谱的研究

利用溶胶-凝胶方法在800 ℃焙烧10 h后, 合成了固溶体Ce_1－xNd_xO_2－δ (x＝0.05～0.55), X射线衍射(XRD)测试表明固溶体已经形成立方萤石结构; 电子顺磁共振谱(EPR)研究表明在固溶体Ce_1－xNd_xO_2－δ中随着掺杂量x的增大, Ce^3＋离子含量减少, 说明掺杂Nd^3＋离子可以抑制Ce^4＋的还原; 交流阻抗谱的测量表明固溶体Ce_0.9Nd_0.1O_2－d 具有离子导电特性, 600和700 ℃时的电导率分别为4.25×10^－3和1.12×10^－2 S•cm^－1, 活化能为0.68 eV.     

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。     

La1－xSrxNi1－yFeyO3型钙钛矿双功能氧电极的电化学性能研究

采用溶胶-凝胶法制备了一系列La_1－xSr_xNi_1－yFe_yO₃ (x＝0, 0.1, 0.2, 0.5; y＝0～1.0)型的钙钛矿催化剂, 以活性碳为载体, PTFE乳液为粘接剂制备双功能氧电极. 对催化剂进行了XRD结构分析以及SEM分析和BET比表面积测量. 采用三电极体系测试了氧电极的稳态极化曲线和电化学交流阻抗谱并对其阴极极化和阳极极化的交流阻抗谱图进行分析. 通过等效电路的拟合研究了该系列双功能氧电极氧还原反应的工作机理. 实验表明对于LaNiO₃化合物, B位掺杂可显著提高催化剂的电催化性能; 电极氧还原反应的极化主要由电荷转移反应和Nernstian扩散过程造成. 通过各个电极对于催化分解H₂O₂的分解速率常数的测定得知, Ni离子对于催化H₂O₂分解反应的活性大于Fe离子, 继续在对于氧还原反应和氧析出反应都具有较高电催化活性的LaNi_0.8Fe_0.2O₃催化剂上进行A位掺杂Sr离子后显著提高了催化剂分解H₂O₂的催化活性, 主要是因为氧空位的增多和金属离子d电子含量的降低有利于催化分解H₂O₂的活性的提高, 但由于氧空位的增多导致催化剂电导率的降低, 所以其电催化活性降低了. 通过多圈循环伏安扫描的测试, 催化剂LaNi_0.8Fe_0.2O₃有很好的稳定性.     

锶掺杂对La1-xSrxNbO4-σ质子导体性能的影响

利用高温固相反应法制备了Sr掺杂LaNbO₄质子导体La_1-xSr_xNbO_4-σ(0≤x≤0.02),并且对其性能进行了表征。XRD分析表明,所有的样品具有单斜结构,晶胞体积随Sr掺杂量的增加而增大;La_1-xSr_xNbO_4-σ样品在沸水中和二氧化碳气氛中具有很好的化学稳定性。SEM分析表明,La_1-xSr_xNbO_4-σ粉体经1500℃烧结8h后均得到致密的、晶粒均匀的样品;Sr的掺杂抑制了陶瓷体裂缝的产生和晶粒的过度增长;随Sr的掺杂量增加,晶粒变小。交流阻抗谱分析表明,Sr掺杂改变了LaNbO₄的电导率,其中样品La_0.995Sr_0.005NbO_4-σ具有最高的电导率;样品在25℃水汽饱和的5%H₂-Ar气氛下的电导率明显高于干燥空气气氛,在800℃时,La_0.995Sr_0.005NbO_4-σ电导率达到0.003S·cm^-1,电导活化能为0.44eV。     

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。     

Pr0.6-xNdxSr0.4FeO3-δ电极材料的光谱及性能研究

以柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法合成了ABO₃型钙钛矿结构的Pr_0.6-xNd_xSr_0.4FeO_3-δ(x=0.0～0.6)系列稀土复合氧化物粉体。利用傅立叶变换红外光谱(FTIR)和激光共焦拉曼光谱(LRS)对产物的晶体结构进行了表征。分别采用热膨胀仪测定烧结陶瓷体的热膨胀系数(TEC)；TG-DTA记录材料的热稳定性；XRD研究阴极材料与中温电解质Sm_0.2Ce_0.8O_1.9(SDC)及La_0.8Sr_0.2Ga_0.8Mg_0.2O_3-δ(LSGM)的化学相容性；SEM观察阴极/电解质复合材料的断口形貌。结果表明，该系列样品在高、低温热循环过程中化学稳定、晶型稳定；在室温至1 100 ℃范围内的平均热膨胀系数为1.16 × 10^-5 K^-1，与SDC及LSGM的热膨胀系数十分接近。阴极/电解质混合粉体1 200 ℃煅烧10 h，XRD未检测到新物质；SEM显示复合层断面界面清晰，没有相互扩散现象。该体系有望成为以SDC或LSGM为电解质的中温固体氧化物燃料电池合适的阴极材料。     

B离子掺杂TiO2催化剂(TiO2－xBx)光催化活性的研究

采用溶胶-凝胶法制备出纳米TiO₂和TiO_2－xB_x催化剂. 光催化实验证明, TiO_2－xB_x催化剂的紫外、可见光催化活性均高于TiO₂. XRD, XPS和Raman结果表明, B离子是以取代式掺杂占据了TiO₂的O^2－的晶格位置. UV-Vis和PL谱的结果表明, B离子的2p轨道与O的2p轨道形成混合价带, 产生可见光响应, B离子的掺入有效地阻止了光生载流子的复合, 促进了其分离, 是TiO_2－xB_x催化剂紫外、可见光催化活性提高的主要原因.     

La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3－α陶瓷的质子导电性能研究

采用溶胶-凝胶法合成了La_0.8Sr_0.2Ga_0.8Mg_0.2O_3－a陶瓷样品, 用XRD, DSC-TGA, SEM, 交流阻抗谱, 气体浓差电池及气体电化学透过等方法对样品的结构和性质进行了表征和测试. 首次对该样品的质子导电性能进行了研究. 该陶瓷样品具有良好的微观结构, 相对密度达95.1%; 氢浓差电池电动势的实测值与理论值吻合, 离子迁移数为1; 在干燥的氧气气氛中是一个纯的氧离子导体; 氢的电化学透过速率的实测值与理论值吻合, 证明该样品在氢气气氛中几乎是一个纯的质子导体, 质子电导率在1000 ℃时高达0.14 S•cm^－1.     

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。     

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%。     

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。     

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。     

室温固态反应制备纳米Ba1－xSrxTiO3固溶体及其结构与介电性能研究

采用室温固态反应合成了一系列Ba_1－xSr_xTiO₃固溶体纳米粉末(0≤x≤1.0). 经XRD物相分析和d-间距-组成图证明, 产品为立方晶系的完全互溶取代固溶体. TEM形貌观察, 粒子基本为球形, 平均粒径40 nm. 该方法具有产率高, 无需溶剂, 对环境无污染等优点. 通过制陶实验, 分别测定了该系列固溶体的室温介电常数、介电损失以及介电常数随温度的变化. 结果发现, 采用室温固态反应在BaTiO₃中掺入适量锶, 由于掺杂离子均匀进入母体晶格, 引起居里点降低, 室温介电常数达11000以上, 介电损耗由BaTiO₃纯相的0.03 (3%)降为0.008 (0.8%). 纳米粉体的烧结温度为1180 ℃, 比传统微米级粉体的烧结温度降低100～150 ℃.     

La1-xCaxFeO3-δ系阴极材料的GNP法合成及电性能研究

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了LaFeO₃及La_1-xCa_xFeO_3-δ(x=0.1～0.5)系列粉体，用TG-DTA、XRD、TEM、SEM等对产物形成过程及微结构进行了表征。结果表明，所合成的系列样品均形成钙钛矿结构的单相固溶体。在x≤20mol%的Ca含量范围内，产物为正交钙钛矿结构；当x>30mol%时，转变为立方钙钛矿相。相同条件下产物的衍射峰强度、晶胞体积及晶粒尺寸都随Ca含量的增大而减小。采用直流四端子法测量了烧结体在中温(450～800 ℃)区的电导率。掺杂使样品导电能力显著增强，电导率随Ca²⁺掺入量的增大先增大后减小，La_0.6Ca_0.4FeO_3-δ样品的电导率最高。在低温段，各样品的导电行为符合小极化子导电机制，导电活化能为13.67～22.70 kJ·mol^-1。     

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(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。