SOFC阴极材料La_(0.7)Sr_(0.3)Fe_(0.7)Co_(0.2)Ni_(0.1)O_(3-δ)的制备与性能

采用溶胶-凝胶法、固相法制备La_(0. 7)Sr_(0. 3)Fe_(0. 7)Co_(0. 2)Ni_(0. 1)O_(3-δ)(LSFCN)中低温固体氧化物燃料电池阴极材料,通过热重-差热分析、X射线衍射、扫描电镜、直流四探针法、热膨胀系数、交流阻抗对材料的结构与性能进行研究。结果表明,2种方法制备的LSFCN均为单一的钙钛矿结构,并且与电解质SDC在950℃以下没发生化学反应,稳定性较好。溶胶-凝胶法制备的阴极粉体颗粒最小、形状规整、结晶度高。在测试温度400～800℃条件下,2种方法合成的阴极材料LSFCN是小极化子导电机制,电导率随着测试温度的升高而增大。溶胶-凝胶法制得的LSFCN的电导率均大于固相法,在800℃时最大达到619. 4S/cm。2种方法制备的LSFCN阴极样品与电解质SDC匹配性好。2种方法制备的LSFCN有利于氧在三相界面的传输,提高了材料的电化学性能。     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料La_(0.7)Sr_(0.2)Co_(0.1)CuO_(3-σ)的制备与表征

用柠檬酸络合法制备超细的钙钛矿型结构的固体氧化物燃料电池阴极材料La_(0.7)Sr_(0.2)Co_(0.1)CuO_(3-σ)(LSCC).选用合适的反应条件和煅烧温度制得所需要的材料后,用DSC-TG、XRD、SEM等对粉体进行物相测定和形貌观察;选用不同温度煅烧前驱体,得到不同比表面积的粉体材料,通过半干法工艺成型LSCC阴极材料并测试它在不同温度条件下的电性能.结果表明,溶胶凝胶-高温自燃烧法能制备出超细纯相的LSCC阴极材料,且该阴极材料在中温条件下使用具有良好的导电性能(不低于150 S/cm)和输出功率(0.85 W/cm~2)和较低的活化能(112.1 kJ/mol).     

溶胶凝胶法合成La_(0.7)Sr_(0.3)Fe_(0.8)Co_(0.2)O_3影响因素的研究

以合成中温固体氧化物燃料电池阴极La0.7Sr0.3Fe0.8Co0.2O3(LSFC)粉体为研究对象,探讨了PVA改进的溶胶凝胶法合成粉体的影响因素,获得最优实验条件。当pH值=7,柠檬酸与金属离子摩尔比为1.6∶1;PVA与硝酸盐质量比为1∶4时,能够形成形态良好且透明澄清的溶胶,再经12 h的陈化形成凝胶,然后在155℃烘箱中使凝胶膨化制得LSFC前驱体。LSFC前躯体在900℃煅烧2 h后形成晶体结构稳定、粒径分布均匀、具有单一钙钛矿结构的粉体。     

静电纺丝法制备中温固体氧化物燃料电池阴极用纳米La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.4)Fe_(0.6)O_3纤维

采用静电纺丝技术和溶胶–凝胶法制备了聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone,PVP)/La0.6Sr0.4Co0.4Fe0.6O3(LSCF)复合纳米纤维,经过不同温度煅烧处理,获得了具有单晶结构的LSCF纳米纤维,并对纤维样品的煅烧过程、形貌、物相、结构以及电性能进行了表征。结果表明:PVP/LSCF复合纳米纤维中的水分和有机物在达到560℃前已经完全挥发和分解。经煅烧处理,可获得具有斜方六面体结构LSCF。经800℃煅烧后的LSCF纳米纤维的直径主要分布在130～240nm;以LSCF纳米纤维为阴极制备的单电池在750℃工作温度下,其最大功率密度为1.18W/cm2。与用传统溶胶–凝胶法在相同条件下制得的LSCF粉体相比,其单电池的电流–电压–功率性能有显著提高。     

La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)-Gd_(0.1)Ce_(0.9)O_(1.95)复相材料的性能

通过干压成型制备了La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ-Gd0.1Ce0.9O1.95(LSCF-GDC)系列双相复合材料,研究了不同LSCF含量对复合材料电导率及烧结性能的影响,同时对微观结构进行了深入分析。结果表明:LSCF含量越高,材料的电导率越高,LSCF质量含量为65%时,800℃电导率可达141.7S/cm。扫描电子显微镜分析了材料的微观结构,晶粒发育良好,结构致密;LSCF对GDC晶粒增长有抑制作用,LSCF质量含量为65%时,1 350℃烧结5h,GDC晶粒尺寸仅有0.3~0.6μm。因此具有很好的微观结构及电性能的双相复合LSCF-GDC透氧膜材料将具有很好的应用前景。     

Co_3O_4浸渍La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_3-Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)复合阴极的制备及电化学性能

分别以固相反应法和甘氨酸法合成La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_3(LSCF)阴极粉体和Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)(SDC)电解质粉体。机械混合后,经压制烧结得到多孔LSCF-SDC复合阴极,通过水热法对多孔LSCF-SDC阴极浸渍Co_3O_4。研究Co_3O_4浸渍后的复合阴极的微观形貌和电化学性能。实验结果表明,对多孔LSCF-SDC阴极浸渍含Co盐溶液,经700℃焙烧后,在阴极表面形成针状Co_3O_4颗粒。浸渍处理使700℃下LSCF-SDC复合阴极的界面阻抗由0.49Ω·cm~2降低至0.19Ω·cm~2,阴极的氧还原反应活化能由1.52 eV降低至1.03 eV。此外,Co_3O_4浸渍阴极使700℃下单电池的功率密度由180 mW·cm~(-2)提高至260 mW·cm~(-2)。实验结果揭示,通过Co_3O_4浸渍,可有效提高LSCF-SDC复合阴极和燃料电池的电化学性能。     

La_(0.8–x)Ba_xSr_(0.2)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3–δ)阴极材料的结构与性能

采用溶胶–凝胶法制备了La0.8–xBaxSr0.2Co0.8Fe0.2O3–δ(LBSCF)阴极粉体。对LBSCF的晶体结构、材料表面的化学状态、烧结体的断面微结构及电导率进行了表征。用交流阻抗谱法在550~700℃范围测试了LBSCF-30%SDC(Sm0.2Ce0.8O1.9)复合阴极的电化学性能。结果表明:LBSCF粉体主晶相为六方晶系钙钛矿结构,存在少量的第二相。XPS结果显示,Ba2+掺杂不影响A位离子(La3+、Ba2+、Sr2+)的价态,但对B位离子的价态有不同的影响:x=0.10的样品中,钴离子以Co3+和Co4+混合价态存在,其余样品中以低氧化态(Co3+和Co2+混合价)或Co3+价存在;铁离子以高氧化态(Fe3+和Fe4+)存在。在500~700℃空气气氛中,LBSCF的电导率均超过700 S/cm,在同一温度下,电导率随着Ba2+掺杂量的增加而增大。x=0.20的样品在500℃时,电导率最大可达1.59×103 S/cm。随着Ba2+含量增加,极化电阻减小,x=0.20时,复合阴极LBSCF-30%SDC的极化电阻最小,700℃时的极化电阻为0.20?·cm2。     

固体氧化物电解电池阴极材料Sr_2Fe_(1-x)Mn_xMoO_(6-δ)纳米粉体的制备

采用溶胶–凝胶柠檬酸燃烧法合成出应用于固体氧化物电解电池阴极的双钙钛矿型复合氧化物Sr2Fe1–xMnxMoO6–δ(x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.8)系列粉体材料。制备出的粉体经研磨后在不同的温度和空气或4%(体积分数,下同)H2/Ar混合气氛下煅烧。利用综合热分析、X射线衍射,、扫描电子显微镜以及比表面积分析对不同条件下锻烧的粉体进行表征,研究了煅烧温度、制粉方法等对钙钛矿结构形成以及粉体形貌的影响。分析结果表明:钙钛矿结构的形成和Mn的含量、助燃剂含量、煅烧气氛、煅烧温度以及溶胶的pH值均有关系。在4%H2/Ar混合气体气氛下,加入0.5mol助燃剂NH4NO3(助燃剂与金属离子总数摩尔比为25:12)的Sr2Fe0.8Mn0.2MoO6–δ在900℃下煅烧2h后形成了单一的钙钛矿结构。     

新型复合阴极Sr_(0.95)Ti_(0.05)Co_(0.95)O_(3-δ)–Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)在中低温固体氧化物燃料电池中的性能

采用柠檬酸自蔓延燃烧法合成了Sr0.95Ti0.05Co0.95O3-δ(STC)阴极粉体和Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)电解质粉体,将STC与SDC粉体按质量比7:3混合得到复合阴极。通过X射线衍射(XRD)、直流四端子法和热膨胀仪表征了样品的化学相容性、电导率和热膨胀系数。XRD表明,STC在900℃能够得到立方纯钙钛矿结构,复合阴极STC-SDC在工作温度区间内具有很好的化学相容性;在650℃空气气氛下STC-SDC与SDC之间的界面极化阻抗仅为0.05Ω·cm2。制备了阳极支持型(Ni O-SDC│SDC│STC-SDC)单电池,在450~650℃范围内以湿润的H2(3%水蒸汽)为燃料气,空气为氧化剂测试了单电池的性能。结果表明:阳极支撑的单电池共烧1 350℃可以得到致密的电解质层和多孔的电极,而且650℃时单电池开路电压0.82V,最大输出功率为721 m W/cm2。结果预示,在以SDC为电解质的中低温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)中,STC-SDC是一个很有前途的复合阴极材料。     

La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3–δ)–Sm_(0.2)Ce_(0.8)O_(1.9)复合阴极的制备及性能表征

分别采用凝胶浇注法和甘氨酸–硝酸盐法制备La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3–δ(LSCF)粉体与Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)粉体,随后制备出不同比例的LSCF–SDC复合阴极。用X射线衍射分析粉体的化学稳定性,用扫描电子显微镜观察复合阴极的微观结构,在500～800℃范围内测量其热膨胀系数和电导率。采用丝网印刷法将LSCF–SDC涂覆在SDC电解质片上,在1100℃烧结4h。用交流阻抗法在600～800℃范围内测量不同成分的LSCF–SDC复合阴极和SDC电解质的交流阻抗谱。结果表明:LSCF和SDC粉体具有良好的化学相容性,烧结体具有多孔结构,LSCF–SDC复合阴极与SDC电解质可形成良好的接触界面。SDC的加入在降低阴极材料的热膨胀系数的同时还保持了其本身较高的电导率,在中温范围内,电导率达到500S/cm以上。复合阴极的极化电阻随着SDC的含量增加而减小,当SDC含量为30%时,复合阴极的极化电阻最小,在700℃空气中测试得到的界面电阻为0.32Ω·cm2。     

烧结温度对La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)-Gd_(0.1)Ce_(0.9)O_(2-δ)双相复合透氧膜性能的影响

采用干压成型制备La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ-Gd0.1Ce0.9O2-δ(LSCF-GDC)双相复合透氧膜,通过X射线衍射、扫描电子显微镜以及透氧量测试等研究了不同烧结温度下材料相结构、微观形貌以及透氧性能。结果表明:LSCF和GDC两相化学相容性较好,在1 300℃条件下共烧后没有杂相生成;随着烧结温度的升高,LSCF-GDC的氧渗透量逐渐增加。在烧结温度为1 300℃、操作温度为900℃时,厚度0.67 mm的膜片氧渗透量为0.14 m L/(cm2·min);在烧结温度不高于1 300℃时,LSCF-GDC双相膜的氧渗透活化能随着烧结温度的升高而逐渐降低。     

EDTA-柠檬酸复合络合法制备阴极材料La_(0.4)Sr_(0.6)Co_(0.4)Fe_(0.6)O_3粉体

本文采用EDTA-柠檬酸复合络合法制备了SOFC阴极La_(0.4)Sr_(0.6)Co_(0.4)Fe_(0.6)O_3纳米粉体。并分别通过SEM、TEM、XRD及电化学极化阻抗仪对La_(0.4)Sr_(0.6)Co_(0.4)Fe_(0.6)O_3粉体形貌、尺寸、晶相及电化学性能进行了表征。实验结果表明:采用EDTA-柠檬酸复合络合法获得的干凝胶,经800℃煅烧后可获得粒径为20~30 nm、结晶度高的钙钛矿结构的La_(0.4)Sr_(0.6)Co_(0.4)Fe_(0.6)O_3纳米粉体。以La_(0.4)Sr_(0.6)Co_(0.4)Fe_(0.6)O_3粉体及添加20wt%的GDC粉体制备成的复合阴极在700℃下的极化阻抗为0.15Ω·cm~2、电导率为715 S·cm~(-1)。     

La_(0.2)Sr_(0.8)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-z)钙钛矿型混合导电体透氧性能

以稳态法（ＳｔｅａｄｙＳｔａｔｅＰｅｒｍｅａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ）对Ｌａ０．２Ｓｒ０．８Ｃｏ０．８Ｆｅ０．２Ｏ３－ｚ（ＬＳＣＦ）混合导电体在８５０℃～７００℃间的透氧性能作了测试;同时,以暂态热重法（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＴＧＡ）研究了ＬＳＣＦ在８１５℃Ｏ２→Ｎ２→Ｏ２交变气流中的脱氧、吸氧过程,并对其透氧性能作了估算。结果表明,ＬＳＣＦ是一种具有实际应用价值的致密透氧膜;在暂态热重测试条件下,ＬＳＣＦ的吸氧、脱氧过程是可逆的,且整个表面反应受氧脱附过程控制;由暂态热重数据估算出的材料透氧性能比稳态法的推算值低,其值分别为１．５６×１０－７ｍｏｌ／ｃｍ２·ｓ和６４０×１０－６ｍｏｌ／ｃｍ２·ｓ。     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Bi1-xCaxFeO3-δ的制备及其性能

开发具有优异电化学活性的阴极材料对中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)的应用至关重要.采用固相法制备无钴阴极材料Bi1-xCaxFeO3-δ(BCFx,x=0.1、0.2和0.3),通过该体系材料的物相结构、电导率、氧传输特性以及电化学性能研究表明,950℃时可以合成具有单相钙钛矿结构的Bi1-xCaxFeO3-δ...     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料LaFe1-xCuxO3-δ的制备与性能研究

采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法合成了LaFe1-xCuxO3-δ(LFC)阴极粉体和Gd0.1Ce0.9O2-δ(GDC)电解质粉体,构建了对称固体氧化物燃料电池LFC/GDC/LFC。利用X射线衍射法(XRD)研究LFC材料的物相结构以及与电解质GDC的化学相容性,采用直流四端子法测试了阴极的电导率,采用交流阻抗法记录界面极化行为,通过扫描电子显微镜(SEM)观察对称电池的断面微观结构。结果表明:合成的LFC粉体(x≤0.2)均呈现单一的钙钛矿结构,且与电解质GDC在低于900℃具有良好的化学相容性;B位掺杂Cu元素能够提高阴极材料的电导率,700℃左右在x=0.2时其电导率最大为104 S·cm-1;极化阻抗随着Cu2+掺杂量的增加而减小,x=0.2时在750℃空气气氛下的电极与电解质间的极化阻抗Rp最小为0.237Ω·cm2。     

钙钛矿型混合导体BaCo_(0.7)Fe_(0.2)Nb_(0.1)O_(3-δ)的透氧性能

采用高温固相反应法制备钙钛矿型混合导体BaCo0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ(BCFN)透氧膜,并通过SEM、XRD、O2-TPD等手段进行表征。实验考察了空气速率、氦气速率及温度对BCFN膜片透氧量的影响。研究发现膜的透氧量取决于两侧的氧分压差和氧离子在体相内的扩散。XRD的结果表明使用前后材料的相结构没有变化,证明BCFN作为透氧膜材料具有实际应用前景。     

固体氧化物燃料电池电解质材料La_2Mo_(2-x)Mn_xO_(9-δ)的制备与性能研究

以硝酸镧、钼酸铵、硫酸锰为原料,以柠檬酸为络合剂,采用溶胶-凝胶法合成了可作为中温固体氧化物燃料电池(SOFCs)使用的电解质材料La_2Mo_(2-x)Mn_xO_(9-δ)(x=0、0.05、0.10、0.15、0.20),通过红外光谱(FTIR)、热分析(TGDSC)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、交流阻抗(AC)测试等手段对样品进行了表征。研究表明,干凝胶经700℃煅烧2 h后得到了纯相的高烧结活性的La_2Mo_(2-x)Mn_xO_(9-δ)(x=0、0.05、0.10、0.15、0.20)粉体,其在950℃烧结2h即可获得相对密度大于97%的烧结体。电化学性能研究表明Mn掺杂可以有效的提高La_2Mo_2O_9电解质材料的电导率,其中La_2Mo_(1.9)Mn_(0.1)O_(8.9)在800℃时电导率高达0.028 S/cm。     

溶胶-凝胶法合成La_(0.2)Sr_(0.7)TiO_3材料及表征

钛酸锶(SrTiO_3)基材料作为新型固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极材料,有化学稳定性好、与电解质的热膨胀匹配性好、抗毒性强等优点。在A(Sr)位掺杂变价金属可有效提高其高温电导率并保有其各项优点。研究了A位掺杂La并带有晶格缺陷的SrTiO_3材料——La_(0.2)Sr_(0.7)TiO_3(LST)的合成,选择了溶胶-凝胶法作为LST的合成方法,并探讨了溶胶pH值、不同柠檬酸(CA)/金属离子(M)摩尔比对LST成相的影响;通过XRD分析,得到了pH=4~9、n(CA)∶n(M)1.3∶1.0时才能最终烧结反应成为纯相的钙钛矿结构LST的结论;对合成的LST粉末进行了微观形貌表征。     

反向滴定共沉淀法合成新型中温固体氧化物燃料电池阴极材料La0.7Sr0.3-xCaxCo1-yFeyO3-δ

以氢氧化钠和碳酸钠混合碱为沉淀剂,金属硝酸盐为原料,共沉淀法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料La0.7Sr0.3-xCaxCo1-yFeyO3-δ(简称:LSCCF,x=0.05、0.10、0.15、0.20;y=0.10、0.20、0.40)的前躯体.讨论了共沉淀的最佳pH值范围以及加料顺序,TG-DSC研究了LSCCF粉料的形成过程,XRD和SEM对其前驱体在600℃,800℃,1000℃煅烧4h后的晶体结构和粒度形貌进行了研究和表征;并通过与固相合成LSCCF的条件比较可知:pH值在9.1～9.5范围内,反向滴定共沉淀法得到的前驱体在800℃煅烧4h可以合成出纯度高、组份均匀的单一钙钛矿相的LSCCF粉料.使用直流四极探针法在空气气氛下研究不同烧结温度下LSCCF样品从100℃到800℃时的电导率发现:电导率随着烧结温度的升高在增大;随着x从0.05到0.20以及y从0.10到0.40,1200℃烧结3h后样品的电导率却在减少;当x=0.10或0.15时,Ca2+和Sr2+掺杂对电导率产生"混合"效应,致使其值基本相等.且在500～800℃范围所有样品的电导率都超过了100S/cm.合成的阴极材料LSCCF与电解质Ce0.8Sm0.2O2两者间有良好的相容性.     

固体氧化物燃料电池电解质材料 Ce0.8Sm0.2-xCuxO1.9-δ的制备与性能研究

以硝酸铈、硝酸铜、硝酸钐为原料,柠檬酸为络合剂,采用溶胶-凝胶法制备了固体氧化物燃料电池(SOFCs)电解质材料Ce0.8 Sm0.2-x Cux O1.9-δ(x=0、0.02、0.04、0.08、0.12、0.16、0.20),并通过红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、交流阻抗(AC)等技术对样品进行了分析表征.结果表明,采用溶胶-凝胶法经600℃煅烧所得粉体呈现出单相的立方萤石结构,超细粉体Ce0.8 Sm0.2-x Cux O1.9-δ具有较高的烧结活性.经1500℃烧结3 h后得到的Ce0.8 Sm0.2-x Cux O1.9-δ系列电解质陶瓷,其相对密度均大于95％.电化学性能研究表明,Sm、Cu双掺杂可以提高CeO2基电解质的性能.其中,Ce0.8 Sm0.18 Cu0.02 O1.89电导率最大,在800℃时达到0.06 S/cm,活化能为0.33 eV.