固体氧化物电解池直接电解CO2的研究进展

固体氧化物电解池是一种高效、环境友好型的能量转换器件,可以直接将电能转化为化学能. 本文介绍了近年来作者课题组在固体氧化物电解池直接用于CO₂还原的研究进展,并以阴极材料为主着重讨论了金属陶瓷电极和混合导电型钙钛矿氧化物电极的研究工作,最后展望了未来固体氧化物电解池直接电解CO₂的研究思路和方向.     

La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O2.8的电化学性质及其在SOFC中的应用

采用凝胶浇注法制备具有较高氧离子电导率的固体电解质La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O2.8粉料.X射线衍射结果表明,于1400℃焙烧后即形成了钙钛矿结构,无杂相存在.探讨了粉料压制坯体的致密化和导电性能在1450℃下与烧结时间的关系,发现烧结时间为18h时其相对密度达98.3%,而在24h的情况下,样品具有最佳的氧离子导电性.采用Ni-Ce0.8Gd0.2O1.9作为阳极,La0.8Sr0.2Ga0.6Ni0.4O2.7作为阴极,组装了平板型固体氧化物燃料电池(SOFC).阳极和阴极分别通入含3%H2O的氢气和空气,750℃时的开路电压为1.04V,最大输出功率密度(P)达252mW/cm2(U=0.48V,J=525mA/cm2).     

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。     

甘氨酸法制备YSZ粉体及其在中温固体氧化物燃料电池中的应用

用甘氨酸法制备了堆积密度小于0．35％的疏松（Y2O3）0.08（ZrO2）0.02（YSZ）陶瓷粉体．研究了预烧温度对初级粉体的晶体结构、晶粒大小、比表面积、粉体形貌和烧结性能的影响,进一步研究预烧温度对YSZ烧结体电导率的影响．随着预烧温度的升高,粉体的晶粒尺寸增加,比表面积减小,烧结体的相对密度减小,粉体的多孔疏松程度降低．700℃预烧粉体的生坯最易致密化,得到的YSZ烧结样品具有最高电导率,其值在800℃时为0．029S·cm^-1．同时以700℃预烧的粉体为原材料,用共压共烧工艺,制备阳极支撑的厚度为10-20μm的YSZ电解质薄膜．以YSZ薄膜为基础的单电池在700℃下的最大功率密度达到470mW／cm^2．     

纳米级钇稳定氧化锆的制备与电性能表征

以共沸蒸馏过程辅助的化学方法制备了纳米级的钇稳定氧化锆（YSZ）粉体,结果表明共沸蒸馏的方法有效地实现了沉淀的完全脱水,从而阻上了颗粒间的硬团聚,X射线衍射研究指出共沉淀物转变为方立相的最低温度为600度,X射线衍射谱和高分辨透射电镜照片均显示在600度下灼烧得到的粉体的粒径为6nm,而由BET比表面积测定计算所得到的粉体粒径则为11nm,从而确定团聚为软团聚,YSZ样片在1500度下烧结5h得到相对密度为94．8％的烧结体,以交流阻抗谱技术研究在空气和氩气气氛中材料的电导率,在9000度空气气氛下测得的电导率为056S.cm^-1,而在氩气气氛下可达到0067S.cm^-1显著高于用单纯共沉淀法制备的YSZ样片的电导率（0．009S.cm^-1)以用Plaster casting法制备的电导率（0.028S.cm^-1）,而电导活化能为0．88－0．89eV,较文献报导值低。     

不同方法制备的Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)性能对比

分别采用沉淀法、凝胶辅助的固相反应法和甘氨酸-硝酸盐法制备了钐掺杂的氧化铈材料,结果表明,用后两种方法制备的粉体能够满足固体电解质的要求,其中,凝胶辅助的固相反应法制备的粉体粒度约为20~100nm,甘氨酸-硝酸盐法制备的粉体粒度更小,表现为许多超细纳米颗粒的团聚体.二者烧结体的致密度分别可以达到95%和97%,800℃时的电导率分别为0.071S/cm和0.074S/cm.     

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。     

无机膜反应器模型分析

本文建立了管状无机膜反应器的数学模型，并以环己烷脱氢反应为例，考察了膜反应器长度，反应物进样量，膜的选择渗透性和渗透率，以及吹气流量等因素对反应器热力学平衡移动的影响，并对Ｋｎｕｄｓｅｎ扩散多孔膜，表面扩散多孔膜，分子筛膜和致密透氢膜等膜反应器进行了讨论比较     

采用甲烷燃料的管状固体氧化物燃料电池浸渍阳极电化学性能

以NiO和8％（摩尔分数）氧化钇稳定的氧化锆为原料,采用注凝成型工艺制备了管状同体氧化物燃料电池阳极支撑体．用离子浸渍法对阳极支撑体进行表面修饰．用电化学工作站测单电池交流阻抗和输出性能并且用化学气相色谱仪对电池尾气进行分析．测试结果表明修饰后的阳极在通甲烷的情况下出现了一定程度的积炭,但是积炭现象在一定的测试时间内达到平衡,没有对电池造成破坏,并且显著地提高了电池阳极的电化学性能．单电池存通入氯气和甲烷的情况下最大输出功率密度分别达到了225和400mW／cm^2．     

Efficient Thickness of Solid Oxide Fuel Cell Composite Electrode

利用一个物理模型计算了固体氧化物燃料电池复合电极的有效厚度. 此模型考虑了复合电极内部的电化学反应,电子和离子的传递,以及电极的微结构. 电极的有效厚度对应于电极性能最优时电极的理论厚度,经过模型计算表明此厚度同时为电荷转移电阻率、有效离子(电子)电阻率以及单位体积内三相线长度的函数. 通过与实验数据比较验证了模型的可用性. 通过模拟表明电极成分、粒子大小、电极材料的本征电阻率、不同的操作温度以及电极反应的机理都影响着复合电极的有效厚度.