La2/3Sr1/3MnO3(La1.4Sr1.6Mn2O7)/Ce0.8Gd0.2O2-δ复合阴极的微观结构及热膨胀性能

采用固相反应法制备La2/3Sr1/3MnO3(LSMO3)粉体,用溶胶-凝胶法分别制备La1 4Sr1 6Mn2O7(LSMO7)和Ce0.8Gd0.2O2-δ(CGO)粉体.分别将LSMO3和LSMO7粉体与CGO粉体以1∶1的质量比均匀混合,在300MPa下冷等静压成型,并在1 500℃烧结2 h,制备了LSMO3/CGO和LSMO7/CGO复合阴极材料.研究了2种复合阴极材料的微观结构和热膨胀性能.结果表明:LSMO3/CGO与LSMO7/CGO烧结体在150～1 000℃温度范围内的平均线性热膨胀系数分别为1.52×10-5/K和1.53×10-5/K,与CGO固体电解质具有相近的热膨胀性能.烧结体断面形貌分析表明:LSMO3/CGO复合阴极具有与CGO相似的断面显微结构.     

阴极材料用Pr0.6-xNdxCa0.4FeO3-δ陶瓷的特性

以Pechini法合成了ABO3型钙钛矿结构的Pr0.6-xNdxCa0.4FeO3-δ(x=01,0.3,0.5)系列稀土复合氧化物粉体.用Fourier变换红外光谱和激光共焦Raman光谱对粉体烧结后样品的化学键及物相进行了表征.用热膨胀仪测定烧结样品的热膨胀系数.通过扫描电镜观察样品用作阴极材料时的微结构及阴极/电解质[钐掺杂氧化铈(samarium-doped ceria,SDC)]复合层的断口形貌.结果表明:1 200℃煅烧2h的样品的主晶相为正交钙钛矿,x=0.3的样品是正交与立方相的混合晶.在室温～1 000 ℃范围内,烧结样品的平均热膨胀系数为12.76x10-6/K,与SDC及La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O3-δ(LSGM)电解质的热膨胀系数一致.烧结样品内部孔隙分布均匀,孔隙率约35%,阴极/电解质复合层界面清晰.将复合氧化物粉体和SDC在1 200℃煅烧10h没有检测出第三相.     

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。     

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。     

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。     

阴极材料用Pr_(0.6–x)Nd_xCa_0.4FeO_(3–δ)陶瓷的特性

以Pechini法合成了ABO3型钙钛矿结构的Pr0.6-xNdxCa0.4FeO3-δ(x=0.1,0.3,0.5)系列稀土复合氧化物粉体。用Fourier变换红外光谱和激光共焦Raman光谱对粉体烧结后样品的化学键及物相进行了表征。用热膨胀仪测定烧结样品的热膨胀系数。通过扫描电镜观察样品用作阴极材料时的微结构及阴极/电解质[钐掺杂氧化铈(samarium-doped ceria,SDC)]复合层的断口形貌。结果表明:1200℃煅烧2h的样品的主晶相为正交钙钛矿,x=0.3的样品是正交与立方相的混合晶。在室温～1000℃范围内,烧结样品的平均热膨胀系数为12.76×10-6/K,与SDC及La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O3-δ(LSGM)电解质的热膨胀系数一致。烧结样品内部孔隙分布均匀,孔隙率约35%,阴极/电解质复合层界面清晰。将复合氧化物粉体和SDC在1200℃煅烧10h没有检测出第三相。     

喷雾裂解法制备LSCF球形粉体

La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)(LSCF)钙钛矿型复合氧化物具有优良的电子-离子混合导电性能,是目前温固体氧化物燃料电池(SOFC)最理想中的阴极材料之一。以水和乙醇作为溶剂,按照La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)的元素摩尔比为6∶4∶2∶8的元素比配制溶液,采用超声喷雾裂解方法,在700℃时通过喷雾裂解制备球形LSCF粉体。该粉体和GDC电解质按照7∶3的比例,制备阴极浆料,涂于NiO-GDC||GDC半电池电解质表面,并在1150℃烧结制备电池阴极。通过SEM、XRD等表征手段研究粉体以及电池阴极结构,并研究了LSCF-GDC复合阴极材料的电性能。研究表明,该电池在750℃条件下的电池性能达到了553 m W·cm~(-2),电池性能比固相法制备的阴极粉体性能高出111 m W·cm~(-2),展现了较好的电催化活性。     

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。     

中温固体氧化物燃料电池SmBaCo_2O_（5＋δ）–Sm_（0.2）Ce_（0.8）O_（1.9）复合阴极材料的电化学性能

采用柠檬酸–硝酸盐自蔓延燃烧法分别合成了双钙钛矿结构的SmBaCo2O5＋δ（SBCO）阴极粉体和萤石型Sm0.2Ce0.8O1.9（SDC）电解质粉体,按3：2的质量比混合上述粉体研磨后得到复合阴极。利用X射线衍射仪研究化学相容性,直流四端子法测量电导率,热膨胀仪测量热膨胀系数;构建阳极支撑型单电池（Ni-SDC｜SDC｜SBCO-SDC）并进行了性能测试,用扫描电子显微镜观察电池的断面微结构,交流阻抗谱记录界面极化。结果表明：SBCO与SDC在1 000℃无相互作用;450～800℃,复合阴极的电导率在369～234 S/cm之间;SDC的加入降低了复合阴极的热膨胀系数;单电池具有理想的微观结构,阳极｜电解质｜阴极各界面彼此接触良好,650℃时极化电阻仅为0.031.cm2;以H2为燃料气（含体积分数3%水蒸气）,空气为氧化剂,650℃时电池的开路电压为0.77 V,输出功率最大值为640 mW/cm2。预示着SBCO-SDC是中温固体氧化物燃料电池有潜力的阴极材料。     

Sm2-χCeχCuO4的制备及在电化学合成氨中的阴极电催化性能

用溶胶-凝胶法制备了Sm2-xCexCuO4(SCC,x=0,0.1,0.2,0.3)粉体,干压成片状并烧结为陶瓷,采用XRD、SEM等对SCC粉体和陶瓷片的物象、形貌进行了表征.以SCC陶瓷片为阴极、Nafion膜为质子导体、Nj-Ce0.8Sm0.2:O2-δ(Ni-SDC)陶瓷片为阳极,银-铂网为集流体组成单电池,以湿氢气和氮气为原料,在298～373 K温度范围内研究了SCC在电化学合成氨中的性能.结果表明在研究的温度范围内和施加电压条件下,使用SCC为阴极均有氨气生成,其中Sm1.8Ce0.2CuO4电化学合成氨速率最高,在353 K时合成氨速率为1.05×10-8mol·s-1·cm-2.