新型中温固体氧化物燃料电池阴极材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ的制备

碳酸共沉淀法合成了新型中温固体氧化物燃料电池（ITSOFC）阴极材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ（BSCF）.利用XRD、DSC、TG、SEM和EDX等手段研究了不同煅烧温度对产物相结构、形貌和成分的影响.结果表明,前驱体经过1000℃煅烧2h后,产物形成了钙钛矿结构,但存在少量BaO或SrO杂相.随着煅烧温度提高,产物中的杂相逐渐消失,产物的晶体结构在1180℃条件下转变为单一的立方型钙钛矿结构,其化学组成为Ba0.51Sr0.49Co0.72Fe0.19O3-δ,而且颗粒均匀,基本在10 μm以下.     

阴极材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ的制备和性能

用共沉淀法合成了具有单一的立方型钙钛矿结构的新型阴极材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ,研究了材料的电导率和热膨胀系数与温度的关系.结果表明,前驱体在1100℃煅烧3 h后形成具有单一的立方型钙钛矿结构尺寸小于1 μm的Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ粉末;在500～600℃致密材料的电导率高于100 S/cm,热膨胀系数随着温度的升高从13.62×10-6逐渐增大到18.75×10-6,当温度超过700℃后急剧增大.致密材料热膨胀系数在高温下剧增的主要原因是材料中比较大的氧损失.     

阴极材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-σ合成工艺优化

为了在较低温度下合成具有高纯度的阴极材料Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-σ(BSCF),采用X射线、扫描电镜以及能谱分析等方法,研究了共沉淀合成法中溶液pH值和煅烧温度等工艺条件对产物的相结构、组成成分和颗粒形貌的影响.结果表明,pH值的升高使前驱体由草酸盐沉淀向氢氧化物沉淀转化,在pH=10条件下,前驱体1100℃煅烧2 h后形成了单一的立方型钙钛矿型结构,比在pH=6条件下的前驱体煅烧温度降低了约100℃,而且成分配比更为准确.研究认为前躯体溶液的pH值对煅烧产物的组成和形貌影响至关重要,这主要是由于pH值的不同改变了前驱体的组成和颗粒形貌造成的.     

Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)混合导体导电性能的研究

用直流四电极法测量了空气和氮气气氛下Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)的总电导率,用电子阻塞电极法测量了空气气氛下BSCF的氧离子电导率。结果表明575℃之前,BSCF呈现p型半导体的导电特征,总电导率温度升高而增大,随氧分压降低而减小;但在575～650℃总电导率显著下降,这与BSCF材料中晶格氧的逸出有关。通过电子阻塞电极法测得的BSCF氧离子电导率σi和温度T的关系符合Arrhe-nius公式,氧离子电导活化能Ea=140.7kJ/mol。通过透氧实验,由Wagner方程计算出来的氧离子电导率与电子阻塞电极法测量得到的值在700℃以下吻合;但700℃后,由于高氧端的气体与膜表面晶格氧的交换以及低氧端表面晶格氧与气相氧交换成为控速环节,使计算出来的氧离子电导率明显低于测量得到的值,并且二者差别随温度升高越来越大。     

LnBaCo2O5+δ(Ln=Gd,Nd,Sm,Pr)-Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ双相混合导体透氧膜的制备及性能测试

用固相反应法制备了LnBaCo2O5+δ(Ln=Gd,Nd,Sm,Pr)-Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(质量比为1:1)4种双相混合导体膜.通过XRD分析可知,除了PrBaCo2O5+δ和Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)复合时发生明显反应外,其它3种复合膜在复合过程中均显示了良好的化学兼容性.4种双相膜在850℃时透氧率最高的是NdBa-(Co2O5+δ-Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ膜(约为0.28mL/(cm2·min)).     

固相法合成La2Ni0.5M0.5O4+δ(M=Co,Cu)材料及电性能

使用金属氧化物La2O3,NiO,CuO和Co2O3作为原料,固相反应法能够合成出具有K2NiF4型结构单一相的、且晶粒尺寸在35～50nm范围的La2Ni0.5M0.5O4 δ(M=Co,Cu)粉料,用XRD、SEM和直流四极探针电导测试法研究了合成La2Ni0.5M0.5O4 δ(M=Co,Cu)粉料的煅烧工艺条件和掺杂元素对电性能的影响以及粉料的颗粒形貌.随着煅烧温度的升高和保温时间的延长,晶粒尺寸在不断长大;合成的粉料在1300℃烧结5h后所有样品的电导率在空气条件下于100～800℃范围内都在增加.掺杂C0或Cu后的材料La2NiO4 δ的电导率均有增加,但掺杂Co后材料电导率要大于掺杂Cu的电导率.为此确定La2Ni0.5M0.5O4 δ(M=Co,Cu)类粉料固相法合成的适宜煅烧条件为1400℃下保温时间14h.     

Cr掺杂Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.1Cr0.1O3-δ钙钛矿型膜的透氧性能研究

采用固相反应法合成了钙钛矿型Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2-xCrxO3-δ(x=0.00,0.10)透氧膜粉体。利用XRD和SEM研究了Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2-xCrxO3-δ(x=0.00,0.10)的晶体结构和烧结性能,考察了在700~850℃范围内Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2-xCrxO3-δ(x=0.00,0.10)膜片的氧渗透性能。结果表明,它们均显示出优良的透氧性能,850℃时的透氧量分别为1.05mL/(min.cm2)、0.85mL/(min.cm2)。透氧稳定性的研究表明,Cr掺杂Ba0.5Sr0.5-Co0.8Fe0.1Cr0.1O3-δ在800℃时显示出较高的稳定性,证实用Cr离子部分取代Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ的Fe离子能明显提高钙钛矿的结构稳定性。     

BaCo0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ透氧膜材料的性能研究

为了研究BaCo0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ(BCFN)透氧膜材料用于焦炉煤气(COG)部分氧化重整制氢的可行性,通过XRD研究了BCFN材料在H2、CO2条件下相成分的变化;通过TG研究材料在不同气氛和温度条件下的重量变化;通过4电极法对BCFN总电导率随温度的变化规律进行了研究;同时研究了BCFN材料作为透氧膜在焦炉煤气部分氧化重整条件下的透氧量.研究结果表明,BCFN比Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)在H2和CO2气氛下具有更好的高温化学稳定性.BCFN材料呈现p型导电的特征,600℃总电导率达到3.6S/cm,600～650℃之间因为晶格中氧的脱附消耗了大量电子孔穴而导致总电导率有所降低,650℃之后电导率随温度升高缓慢增加.1mm厚的BCFN透氧膜材料在870℃,焦炉煤气(COG)吹扫量为44ml/min下的透氧量为5.5ml/(min·cm2),可满足焦炉煤气(COG)部分氧化重整制氢的需要.     

静电纺丝法制备磁铅石型Ba0.5Sr0.5Fe12O19纳米纤维及其磁性研究

采用静电纺丝结合溶胶-凝胶技术于800℃煅烧制备了铁氧体Ba0.5Sr0.5Fe12O19纳米纤维,利用XRD、SEM、EDS、TEM分别对样品的物相、形貌、结构等进行了表征.结果表明,所得产物为六方磁铅石型Ba0.5Sr0.5Fe12-O19多晶纤维,纤维直径为100～500nm,Scherrer公式计算晶粒尺寸为40nm.采用振动样品磁强计(VSM)表征样品的磁性能,饱和磁化强度、剩余磁化强度和矫顽力分别为66.659emu/g、35.093emu/g和5097.2Oe,与用传统溶胶-凝胶法在相同温度下煅烧制得的粉体样品相比,磁性能明显提高.     

溶胶凝胶法合成La0.5Sr0.5Co0.8Mn0.2O3-δ钙钛矿及其催化性质

采用溶胶凝胶煅烧法合成了La0.5 Sr0.5 Co0.8 Mn0.2 O3-δ纳米粉,通过X射线衍射、电子显微镜、X射线光电子能谱和碘定量滴定等测试方法对合成物进行了表征,并以四溴双酚A为模型污染物,考察其催化性能.结果表明,合成的纳米La0.5 Sr0.5 Co0.8 Mn0.2 O3-δ具有钙钛矿R-3c结构,平均晶粒尺寸为40～70 nm.与通氮气煅烧的样品相比,弱氧化煅烧样品的非化学计量氧浓度适中,钙钛矿结构中B位离子平均价态相对较稳定,其催化性能较强且相对较稳定,可再生循环使用四次.     

固体燃料电池阴极材料La0．6Sr0．4Co0．2Fe0．8O3-δ的微观结构与阻抗特性研究

复合钙钛矿氧化物La1-xSxCo1-yFeyO3-δ是一种适于中温固体氧化物燃料电池的阴极材料.采用柠檬酸螯合法合成了La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ粉体,并通过XRD和SEM,研究了前驱体溶液pH值和煅烧温度对其粉体晶相结构的影响;同时,通过烧结体的SEM和交流阻抗分析,详细讨论了前驱体溶液pH值和烧结温度对烧结体显微结构和阻抗特性的影响.结果表明,前驱体溶液pH=4、煅烧温度为900°C的粉体,1400°C下烧结2h获得的烧结体,具有最低的阻抗.     

聚合物协助燃烧法合成La0.8Sr0.2Co0.5Fe0.5O3-δ纳米粉体

为开发新型高性能中温固体氧化物燃料电池阴极材料,以La、Sr、Co和Fe的硝酸盐、葡萄糖和丙烯酰胺为原料,在pH=8-10的碱性条件,通过聚合物协助燃烧法制备了La0.8 Sr0.2 Co0.5 Fe0.5 O3-δ(LSCF)钙钛矿相纳米粉体.用XRD、SEM和TEM表征了LSCF粉体的相结构和微观形貌,结果显示,在...     

Ln0.6Sr0.4 FeO3-δ(Ln=La、Nd、Ce)阴极材料的制备与表征

以甘氨酸-硝酸盐水溶液为前驱体合成了Sr掺杂的稀土铁酸盐Ln0.6Sr0.4FeO3-δ(Ln=La、Nd、Ce)粉体.对制备过程的化学键变化、样品的热稳定性、物相形成过程及导电性进行了表征.结果表明,甘氨酸-硝酸盐合成法成相温度低于1000℃.坯体烧结较粉状样品更有利于钙钛矿物相的形成,La0.6Sr0.4FeO3-δ及Nd0.6Sr0.4FeO3-δ坯体1000℃煅烧2h即可形成近乎单一的钙钛矿相(ABO3);Ce0.6 Sr0.4 FeO3-δ是CeO2立方萤石相和产物钙钛矿相共存,两相难分主次.合成样品低温下的导电行为符合小极化子导电机制;1200℃烧结的La0.6Sr0.4FeO3-δ样品在测试全温度范围内(450～800℃)电导率超过100S/cm,Nd0.6Sr0.4FeO3-δ在中温区(600～800℃)电导率＞60S/cm;Ce0.6Sr0.4FeO3-δ样品的电导率不理想.     

Co_(0.5)Zn_(0.5)Fe_2O_4/SiO_2磁性纳米复合粉体的制备

采用溶胶-凝胶法以正硅酸乙酯和金属硝酸盐分别作为SiO2和铁氧体的前驱体成功制得Co0.5Zn0.5-Fe2O4/SiO2磁性纳米复合粒子.利用XRD、DSC-TG、Raman和SEM研究了热处理温度和酸添加量对样品晶体结构和晶粒尺寸的影响,并用谢乐公式估算平均晶粒尺寸.最后用振动样品磁场计(VSM)对样品的磁性能进行检测.结果表明,随热处理温度的升高,样品由非晶态转变成SiO2基体中结晶较完整的尖晶石结构的单相铁氧体纳米晶,晶粒尺寸为12.65nm.晶粒尺寸随热处理温度的升高和酸添加量的增加不断变大.对材料的磁性能的研究结果表明,合成的纳米Co0.5Zn0.5Fe2O4/SiO2,其比饱和磁化强度为9.17emu/g,矫顽力为67Oe.     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Ba1-xSrxCo0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ的制备与性能研究

采用固相法合成Ba1-x Srx Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ(x=0、0.1、0.2、0.3、0.4)阴极材料。利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对其结构和微观形貌进行了表征。XRD测试结果表明Ba1-x Srx Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ样品经1000℃,烧结10 h后形成了立方钙钛矿结构。从样品的电镜照片看出样品具有均匀的孔隙率,电解质(Ce0.85Sm0.15O1.925)-阴极(Ba1-x Srx Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ)之间的界面结合良好。电化学交流阻抗测试结果表明Ba1-x Srx Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ中掺入Sr可以明显地降低阴极的极化电阻,随着Sr含量的增多,阴极的界面极化电阻(RP)先减少后增大,当Sr的含量x为0.2时Rp值最小。以Ce0.85Sm0.15O1.925(SDC)电解质为支撑体,Ni0.9Cu0.1-SDC为阳极,Ba0.8Sr0.2Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ为阴极的单电池的最大功率密度在600℃时达到155 mW/cm2。实验结果表明Ba0.8Sr0.2Co0.7Fe0.2Nb0.1O3-δ材料是一种电化学性能较为优良的中温固体氧化物燃料电池阴极材料。     

掺杂对Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ阳极材料电化学性能影响研究进展

固体氧化物燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的清洁、高效的能量转化器件.传统的金属陶瓷阳极材料存在碳沉积、硫中毒和氧化还原循环稳定性差等缺点,限制了其商业化应用.为了改善金属陶瓷阳极在实际应用中遇到的问题,近年来混合电子-离子导体的钙钛矿陶瓷阳极得到了长足的发展.其中,结构组成为Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ的阳极材料具有较好的稳定性、较高的电导率、合适的热膨胀系数和优异的电化学性能,因而被广泛研究,特别是元素掺杂.本工作根据钙钛矿ABO3可掺杂的位置,分别从A位、B位和O位掺杂进行讨论,总结了各元素掺杂和掺杂量对Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ的容忍因子、晶体结构、稳定性、电导率、热膨胀系数和电化学性能等的影响.这些掺杂策略为改性Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ钙钛矿阳极提供了新颖的思路,此思路也可用于改性其他同类钙钛矿阳极材料.最后总结了Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ和典型钙钛矿陶瓷阳极材料的发展方向:一方面可通过阴离子掺杂和共掺杂策略进一步提高钙钛矿陶瓷阳极材料的性能;另一方面可采用密度泛函理论进一步阐明元素掺杂的作用机制.     

LSCF系钙钛矿型致密透氧膜的制备及其透氧性能

通过柠檬酸-EDTA络合法合成了不同的A位Sr取代的LSCF系钙钛矿型粉体材料La0.1Sr0.9Co0.8Fe0.2O3-δLa0.3Sr0.7Co0.8Fe0.2O3-δLa0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ和La0.8Sr0.2Co0.8Fe0.2O3-δ采用XRD测试手段对粉体及膜片的晶体结构进行了表征.用静压片法制备透氧膜,并测定了LSCF系钙钛矿膜的透氧量,分析了温度和A位Sr不同掺杂量等因素对膜透氧性能的影响.结果表明,该系列膜的透氧量均随着温度升高而增大,随着Sr掺杂量的增加而增大.并在850℃下对透氧膜100h透氧稳定性进行实验研究,结果表明,膜片的透氧量随时间没有明显变化,表现出良好的稳定性.     

La0.6M0.4Fe0.8Cr0.2O3-δ(M=Ca、Sr、Ba)的制备表征及电性能

采用甘氨酸-硝酸盐法(GNP)制备了纳米尺寸的La0.6M0.4Fe0.8Cr0.2O3-δ(M=Ca、Sr、Ba)系列粉体.BET测试表明,合成粉体的比表面积＞20 m2·g-1;XRD结果显示,GNP法合成粉体在燃烧阶段物相已初步形成,La0.6Ca0.4Fe0.8Cr0.2O3-δ(LCFC)初粉经850℃热处理2h即转变为简单立方钙钛矿结构的纯相产物,1100℃下烧结体的相对密度即达95%,La0.6Sr0.4Fe0.8Cr0.2O3-δ(LSFC)、La0.6Ba0.4Fe0.8Cr0.2O3-δ(LBFC)初粉为双相结构,两者在低温段的烧结活性较LCFC差,1300℃以上相对密度接近95%.四端子法电导测试表明,掺杂样品的电导率较LaFeO3高2个数量级以上,700℃以下三者的电导率随温度的变化符合小极化子导电机理;800℃下LCFC的电导率＞50 S·cm-1,预示其可能成为IT-SOFC有实际应用前景的阴极材料.     

La0.6M0.4Fe0.8Cr0.2O3-δ(M=Ca、Sr、Ba)的制备、表征及电性能

采用甘氨酸-硝酸盐法(GNP)制备了纳米尺寸的La0.6M0.4Fe0.8Cr0.2O3-δ(M=Ca、Sr、Ba)系列粉体.BET测试表明,合成粉体的比表面积>20m2·g-1;XRD结果显示,GNP法合成粉体在燃烧阶段物相已初步形成,La0.6Ca0.4Fe0.8Cr0.2O3-δ(LCFC)初粉经850℃热处理2h即转变为简单立方钙钛矿结构的纯相产物,1100℃下烧结体的相对密度即达95%,La0,6Sr0.4Fe0.8Cr0.2O3-δ(LSFC)、La0.6Ba0.4Fe0.8Cr0.2O3-δ(LBFC)初粉为双相结构,两者在低温段的烧结活性较LCFC差,1300℃以上相对密度接近95%.四端子法电导测试表明,掺杂样品的电导率较LaFeO3高2个数量级以上,700℃以下三者的电导率随温度的变化符合小极化子导电机理;800℃下LCFC的电导率>50S·cm-1,预示其可能成为IT-SOFC有实际应用前景的阴极材料.     

La0.5Sr0.5CoO3-δ薄膜的制备及其电学性能

采用离子束溅射法在氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）和SiO2衬底上溅射＜薄膜，测试了不同工艺制备的La0.5Sr0.5CoO3-δ薄膜样品的XRD谱和电导率。分析了薄膜表面微结构以及电学性能。结果表明：在YSZ衬底上生长的La0.5Sr0.5CoO3-δ薄膜随着热处理温度的升高取向增强，当薄膜经过750℃热处理后结晶度最好；各样品直流电导率在低温段的Arrhenius曲线近似为直线，表明材料的导电行为符合小极化子导电机制；交流电导率在低频段（＜100kHz）电导率主要是靠晶界导电贡献的，而在高频区（＞100kHz），样品对交流电响应更加明显，电导率主要是靠晶粒导电贡献的。