Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)-Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(2-δ)中低温固体氧化物燃料电池复相阴极的研究

采用溶胶-凝胶法制备Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3–δ)(BSCF)粉体后,使用Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_(2–δ)(GDC)溶胶包裹BSCF粉的方法制备疏松多孔的BSCF-x GDC(x=30wt%,40wt%,50wt%)复相阴极。通过X射线衍射仪、场发射扫描电镜和透射电镜对复相阴极的物相组成、单电池断面形貌及GDC对BSCF颗粒的包裹形貌进行表征。利用阻抗谱测试研究了复相阴极材料的电化学性能,讨论了掺入GDC量对阴极性能的影响。结果表明:通过GDC溶胶包裹BSCF粉体的制备方法改善了阴极的电化学性能,在同一温度下,BSCF-40GDC阴极的极化电阻最小,在650℃时阴极极化阻抗约为0.397?·cm~2;以BSCF-40GDC为阴极制备的单电池,以H_2+3%H_2O为燃料气、空气为氧化气体,650℃下电池的最大功率密度为0.514 W/cm~2,欧姆电阻为0.257?·cm~2,两极极化电阻为0.0588?·cm2。     

基于Pr_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)对称固体氧化物燃料电池的性能优化研究

采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法分别合成了Pr_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)(PSCF)和Gd_(0.2)Ce_(0.8)O_(2-δ)(GDC)粉体,高温固相法合成La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)(LSGM)电解质粉体。以LSGM为电解质,PSCF同时作为阴极和阳极,GDC作为功能层材料,构建了对称固体氧化物燃料电池PSCF│GDC│LSGM│GDC│PSCF。利用X射线衍射法研究材料的成相以及相互间的化学稳定性,交流阻抗法记录界面极化行为,用扫描电子显微镜观察电池的断面微结构,用自组装的测试系统评价电池输出性能。结果表明,合成的PSCF粉体呈立方钙钛矿结构,具有良好的氧化–还原可逆性。使用GDC功能层明显改善了氢气环境下PSCF与LSGM材料间的化学相容性以及电池的输出性能,800℃时,电极│电解质界面极化电阻从6.892?·cm~2下降到0.314?·cm~2;以加湿H_2(含体积分数3%的水蒸气)为燃料气,空气为氧化气时,单电池输出功率密度由269 m W/cm2增大至463 m W/cm~2。研究结果显示,PSCF是对称固体氧化物燃料电池良好的候选电极材料,GDC功能层对改善电池长期稳定性能具有潜在的应用价值。     

固体氧化物燃料电池La_xSr_(2-3x/2)Fe_(1.5)Ni_(0.1)Mo_(0.4)O_(6-δ)阳极性能研究（英文）

本研究利用固相反应法合成了一系列镧取代La_xSr_(2-3x/2)Fe_(1.5)Ni_(0.1)Mo_(0.4)O_(6-δ)(La_xSFNM,x=0,0.1,0.2,0.3,0.4)钙钛矿陶瓷材料,并研究其作为固体氧化物燃料电池阳极的电化学性能。X射线衍射(XRD)测试表明合成的粉末具有立方钙钛矿结构。在高温下利用氢气还原LaxSFNM样品,发现其晶粒表面析出纳米尺度的Fe-Ni合金颗粒,并且偏析纳米颗粒的密度随着La~(3+)掺杂量的增加而显著降低。在对称电池阻抗测试中,随着La~(3+)掺杂量的增加,阳极极化阻抗逐渐降低,掺入量为0.3时阻抗达到最小值。La_(0.3)SFNM对称电池在750℃下极化阻抗仅为0.16W·cm~2,进一步增加掺杂量时,La0.4SFNM对称电池极化阻抗增加至0.17W·cm~2。La_(0.3)SFNM材料良好的电极反应催化活性源于适当分布的Fe-Ni合金纳米偏析颗粒与LaxSFNM陶瓷基体的共同作用。利用流延法制备一系列以LaxSFNM为阳极、SmBa0.5Sr0.5Co2O6为阴极、LSGM为电解质的单电池,使用氢气作为燃料时,La~(3+)掺杂量x=0.3的单电池表现出最高的功率密度,在750、650和550℃时峰值功率密度可达1.26、0.90和0.52W·cm~(–2)。上述结果表明,La_(0.3)Sr1.55Fe1.5Ni0.1Mo0.4O6-δ可以用作高性能SOFC阳极催化剂。     

BaCo_(0.7)Fe_(0.2)Nb_(0.1)O_(3-δ)非对称透氧膜的制备和研究

主要研究了BCFN非对称透氧膜的制备。采用了3种不同的方式制备BCFN多孔支撑体,并对其渗透性能和孔隙分布进行分析,发现采用干压成型方式制备的多孔支撑体的综合性能较其它两者更为优越。同时在用浸渍工艺制备致密膜层的过程中,通过调整浆料浓度和浸浆时间可以有效地控制膜层厚度和完整性。在浓度为20%(质量分数)的浆料中浸渍2min,可得到厚度约30μm、没有裂纹且表面平整的致密层。透氧实验的结果表明,相同条件下非对称膜的透氧率比致密膜提高了3倍左右且可以在850℃温度下长时间稳定工作。     

中温固体氧化物燃料电池Nd_2NiO_(4+δ)-Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(2–δ)复合阴极性能研究

研究了Nd_2NiO_(4+δ)(NNO)-Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(2–δ)(CGO)复合化合物在中温固体氧化物燃料电池的性能,包括NNO-CGO复合阴极的烧结温度以及复合比例。采用流延法、丝网印刷法和高温烧结法相结合制备了尺寸为50 mm×50 mm的平板式NiO-YSZ阳极支撑SOFC。单电池是由Ni O-YSZ阳极支撑层、Ni O-YSZ阳极功能层、YSZ电解质层,CGO阻挡层,NNO-CGO复合阴极层以及La_(0.6)Sr_(0.4)CoO_(3–δ)(LSC)集流层共同组成。研究结果表明,当70NNO-30CGO复合阴极烧结温度为1000℃,单电池在800℃展现出最大功率密度385 mW/cm~2(0.7 V),欧姆阻抗、极化阻抗和面积比电阻分别为0.31、0.266和0.576?·cm~2。电化学阻抗分析结果表明,电荷转移阻抗是电池极化阻抗的主要来源。测试后电池截面的SEM观察结果显示电池各层之间均展现出良好的烧结结合。同时,与前期研究结果比较可以发现,具有相同复合阴极层的电池增加CGO阻挡层后功率密度下降,欧姆阻抗增加,但极化阻抗却降低。     

共压共烧法制备La_(0.8)Sr_(0.2)(Ga_(0.8)Mg_(0.2))_(0.1)Fe_(0.9)O_(3-δ)致密扩散障碍层极限电流型氧传感器

采用固相合成法制备了La_(0.8)Sr_(0.2)(Ga_(0.8)Mg_(0.2))_(0.1)Fe_(0.9)O_(3-δ)(LSGMF)混合导体和La_(0.8)Sr_(0.2)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3-δ)(LSGM)固体电解质,利用XRD、TGA、范德堡直流四探针法和热膨胀仪等对试样进行了分析。以LSGMF为致密扩散障碍层,以LSGM为氧泵层,采用共压共烧结法制备了极限电流型氧传感器,利用SEM和EDS对LSGMF/LSGM陶瓷体横截面的微观形貌和成分进行了分析。结果表明:LSGMF具有菱方钙钛矿结构(R-3c空间群),它在650℃失重速率最快,其电导率随温度的升高而增大;300~1000℃范围,LSGM与LSGMF的热膨胀系数分别为12.51×10~(–6)/℃和12.80×10~(–6)/℃。650~850℃范围,氧传感器具有良好的极限电流平台,lg I_L(极限电流I_L)与1000/T呈线性关系,LSGMF中氧离子的扩散激活能为0.4008 e V。800℃、0.3mol%x(O_2)21.0mol%时,极限电流IL与氧含量x(O_2)间的关系为:I_L(m A)=10.285x(O_2)(mol%),R=0.9982。LSGMF和LSGM结合牢固,未产生裂纹,EDS分析基本符合各化合物的化学计量比。     

SrCo_(0.4)Fe_(0.4)Zr_(0.2)O_(3-δ)混合导体中空纤维膜的制备及其氧渗透性能

基于相分离理论,采用干湿法纺丝技术结合后续的烧结工艺,制备出SrCo_(0.4)Fe_(0.4)Zr_(0.2)O_(3-δ)(SCFZ)混合导体中空纤维膜.借助于XRD、SEM、热膨胀分析以及氧渗透性能分析等手段,分别对样品的晶相结构,膜的微观形貌,中空纤维膜生坯的烧结行为以及膜的氧渗透通量进行了研究.结果表明,中空纤维膜晶相结构由钙钛矿主体相、SrZrO_3相及Co_3O_4相组成,SrZrO_3相含量随烧结温度升高而增大.膜断面邻近内外皮层均存在指状孔,膜壁中部区域为海绵孔,此结构由聚合物溶液沉浸相分离形成.综合烧结行为,XRD及SEM结果,再结合气密性和机械强度测试,确定生坯适宜的烧结温度为1240℃.在此条件下制备的SCFZ中空纤维膜力学性能优异,三弯矩断裂强度达到74.19MPa,在850℃时,空气/氦气梯度下的氧渗透通量为2.9×10~(-7)mol/(cm~2·s),并且在160 h的测试周期内保持稳定.     

CeO_2对Ti/RuO_2(0.5)-Co_3O_4(0.5)电极电催化性能的改进作用

为了改进Ti/RuO_2(0.5)-Co_3O_4(0.5)电极的析氧催化性能,采用热分解法在400℃下制备了稀土Ce改性Ti/RuO_2(0.5)-Co_3_O_4(0.5)氧化物电极,对稀土Ce掺杂量进行了优化.通过开路电压、循环伏安及极化曲线研究了电极在1.0 mol/L KOH溶液中的析氧催化活性.结果表明:稀土Ce掺杂可明显提高电极伏安电荷量、内外活性表面积及电极表面粗糙度,同时能降低析氧反应表观活化能;当其掺杂量为10:4时电极性能最佳,伏安电荷量和表面粗糙度分别高达806 mC/cm~2和3 047.83,析氧反应表观活化能低至15.74 kJ/mol.这主要是稀土Ce具有孔引发剂的作用,可提高活性氧化物晶粒的分散性,使电极活性表面积增加,改善了析氧催化活性.     

K0.1Sr0.9Co0.8Fe0.2O3-δ透氧膜材料的合成及透氧性能研究

通过溶胶-凝胶法制备了一种新型钾离子掺杂钙钛矿透氧膜材料K_(0.1)Sr_(0.9)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)(KSCF),并系统考察了该透氧膜材料的透氧量、稳定性和速率控制步骤等.XRD表征显示,钾离子在钙钛矿A位掺杂量低于或等于10%不会改变KSCF立方钙钛矿结构.SEM分析显示,KSCF膜片在1 220℃焙烧可高度致密,并且KSCF长期放置仍然保持了高机械强度,不会出现类似SrCo_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)(SCF)材料的粉化解体.氧渗透实验结果表明,操作温度的升高、膜片厚度的降低以及吹扫气流速的增加均有利于膜片透氧量的提升,厚度为0.5 mm的KSCF膜片在950℃时的透氧量可达2.65 mL/(cm~2·min).对比实验表明,基于同样测试条件KSCF透氧膜的透氧量比SCF材料的透氧量更高.通过对KSCF膜片的速率控制步骤考察可以发现,当KSCF透氧膜膜片厚度低于0.7 mm时,其透氧过程为表面交换控制,当膜片厚度高于0.7 mm时,其透氧过程则会转化为体相扩散控制.     

La_(0.8)Ca_(0.2)Fe_(0.5)X_(0.5)O_3型氧化物的制备及其近红外发射率研究

利用固相反应法在1 300℃下合成La_(0.8)Ca_(0.2)Fe_(0.5)X_(0.5)O_3(X=Fe、Cu、Cr、Mn)氧化物,并对它们在近红外波段的发射率进行了研究和比较,通过XRD、XPS、FT-IR等对样品进行分析和表征。研究结果表明,合成的La_(0.8)Ca_(0.2)Fe_(0.5)X_(0.5)O_3型氧化物样品为单相正交晶系。掺杂后的试样较LaFeO_3在200~2 500nm近红外波段的发射率均提高60%以上,其中Ca-CrCa-CuCaCa-Mn不掺,可能是掺杂引入Fe~(4+)杂质能级增强了自由载流子浓度及其带隙之间的跃迁,不同元素掺杂引起Fe~(3+)Fe~(4+)的跃迁程度与氧空位的浓度存在差异,导致不同掺杂元素发射率不同。La_(0.8)Ca_(0.2)Fe_(0.5)X_(0.5)O_3型氧化物材料均具有优异的近红外辐射性能,能够在高温热工节能领域发挥作用。     

直孔三明治结构GDC-LSF双相复合透氧膜制备和性能研究

致密陶瓷透氧膜因在氧气制备和涉氧化工过程中的潜在重要应用而备受关注。本研究采用相转化流延/叠层/烧结工艺制备了三明治结构Gd_0.1Ce_0.9O_2–δ-La_0.6Sr_0.4FeO_3–δ(GDC-LSF)双相复合陶瓷透氧膜,其中部为起氧分离作用、厚度80μm的致密功能层,两侧为厚度420μm的直孔结构支撑层。采用浸渍法在支撑层内壁修饰Nd₂NiO_4+δ(NNO)纳米颗粒。在膜的一侧通入空气,另一侧通入氦气作为载气,测得900℃时氧渗透通量高达1.53 mL·cm^-2·min^-1。将氦气切换为CO₂,测得氧渗透通量为0.6mL·cm^-2·min^-1,氧渗透在长达90h的时间内保持稳定。该透氧膜经历70余次热循环(800～900℃)后仍保持完好。本研究表明:直孔三明治结构GDC-LSF透氧膜具有良好的氧渗透性能、...     

掺碱土金属的双稀土铬酸盐(Pr0.5Nd0.5)0.7M0.3CrO3-δ(M=Sr, Ca)用于SOFC连接材料

采用EDTA-柠檬酸法合成粉体,在1 400℃空气中烧结制备可用作固体氧化物燃料电池(SOFC)连接材料的两种掺碱土金属的双稀土铬酸盐(Pr_(0.5)Nd_(0.5))0.7Sr_(0.3)CrO_(3-δ)(PNSC)和(Pr_(0.5)Nd_(0.5))0.7Ca_(0.3)CrO_(3-δ)(PNCC)复合稀土,借助粒度分析仪、热膨胀仪、X射线衍射仪、扫描电镜、四端子测量仪等对连接材料的粉体粒度、致密度、断面微结构、烧结性能、导电性能以及热膨胀性能进行了分析。结果表明,PNCC具有更优的烧结性能,致密化烧结温度区间为900~1 030℃,而PNSC的烧结收缩发生在1 250℃以上。PNCC在1 400℃烧结4h达到97.2%的高致密度,而PNSC致密度只有76.5%,烧结性能与烧结过程中出现的CaCrO4或SrCrO4相有关。材料均遵从小极子导电机理,850℃下PNCC和PNSC的电导率分别达到50.4S·cm~(-1)和40.9S·cm~(-1)。PNCC的热膨胀系数为9.8×10-6 K-1,与YSZ电解质接近。因此,PNCC各项性能优于PNSC,是一种性能优良的固体氧化物燃料电池(SOFC)连接材料。     

SDC-SSF支撑型透氧膜的制备及透氧性能研究

首先通过液相一锅合成法合成了Ce_(0.85)Sm_(0.15)O_(2-δ)(80%)-Sm_(0.6)Sr_(0.4)FeO_(3-δ)(20%)(SDC-SSF)萤石-钙钛矿双相透氧膜材料,进而采用盐酸刻蚀法制备了对称支撑型SDC-SSF双相透氧膜组件.SEM表征表明,通过酸刻蚀法可以一步制备出具有三层结构的对称支撑型SDC-SSF双相透氧膜片,其同时具有两层多孔载体与一层致密透氧功能层.XRD和SEM-EDS分析表明,通过盐酸刻蚀可以有效滤出SDC-SSF双相透氧膜中的SSF钙钛矿粒子,而SDC萤石相粒子却可完好保存从而自发形成双面多孔支撑体.透氧实验表明,基于盐酸刻蚀法制备对称支撑型透氧膜有利于提升SDC-SSF双相透氧膜的透氧量,其中刻蚀时间为28 h的SDC-SSF支撑型透氧膜在950℃时透氧量达到了0.49 mL/(cm~2·min),在SDC支撑体中浸渍铂催化剂后其透氧量进一步增加到0.81 mL/(cm~2·min).     

外延Y_3Fe_5O_(12)薄膜的制备及其磁特性的研究

利用磁控溅射方法在Gd3Fe5O12衬底上制备外延Y_3Fe_5O_(12)薄膜。在室温300K时,改变腔内氩气压得到不同气压下制备的Y_3Fe_5O_(12)薄膜。样品都在空气中进行后退火处理,退火温度800℃/2h,退火升温速率是180℃/h,降温速率是120℃/h。通过测试发现薄膜的特性及膜厚等都依赖沉积氩气压PAr,沉积气压为2.394Pa时,样品的磁特性较好。为了能充分利用Y_3Fe_5O_(12)纳米结构特性,利用电子束光刻蚀方法成功制备Y_3Fe_5O_(12)纳米量级结构阵列,分析磁阻尼因子变化。     

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。     

热分解法制备Ni_(0.5)Zn_(0.5)Fe_2O_4纳米颗粒

采用热分解法制备Ni_(0.5)Zn_(0.5)Fe_2O_4纳米颗粒,研究表面活性剂用量、回流温度和回流时间对产物尺寸、形貌以及分散性的影响。通过X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和振动样品磁强计(VSM)对样品的结构、形貌与磁性能进行了表征。结果表明:增加表面活性剂的用量,产物的粒径减小,分散性明显提高,而提高回流温度和延长回流时间则会使产物粒径增加,但粒径分布也会变宽。在三辛基氧化膦(TOPO)用量为0.6mmol,260℃回流1h条件下制备产物的饱和磁化强度为49.38A·m2/kg,矫顽力为7143.20A/m,剩余磁化强度为5.76A·m2/kg,表现为亚铁磁性。     

质子导体固体氧化物燃料电池的PrBa0.5Sr0.5Cu2O6-δ复合阴极材料

采用柠檬酸盐燃烧法制备了无钴双钙钛矿氧化物PrBa_(0.5)Sr_(0.5)Cu_2O_(6-δ)(PBSC)粉体,探究其作为质子导体固体氧化物燃料电池(H-SOFCs)阴极材料的可行性。研究了它与质子导体电解质BaZr_(0.1)Ce_(0.7)Y_(0.2)O_(3-δ)(BZCY)之间的化学相容性,分析了单相阴极PBSC、复合阴极PBSC-BZCY与电解质之间的热匹配性,并测试了单电池的电化学性能。结果发现,以PBSC为阴极、NiO-BZCY为阳极、BZCY为电解质的单电池在750℃时的最大功率密度为230 mW·cm~(-2),表明PBSC可作为H-SOFCs的阴极材料。而以PBSC-BZCY为阴极的单电池在750℃时的最大功率密度高达669 mW·cm~(-2)。复合阴极电池性能的大幅提高主要与阴极反应从单相阴极/电解质界面扩展到复合阴极电池的整个阴极区域,大幅降低电池电阻有关。PBSC-BZCY复合阴极在H-SOFCs中的应用具有较好的前景。     

一步法制备Fe_2O_3/碳纳米管复合材料及其电化学性能研究

采用水热法一步制备了氧化铁(Fe_2O_3)/碳纳米管复合材料,并对制得的Fe_2O_3/碳纳米管复合材料的形貌、结构进行了表征。对Fe_2O_3/碳纳米管复合材料的循环伏安特性和电化学性能进行了研究。七水合硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)用量为200mg制得的Fe_2O_3/碳纳米管复合材料,在放电电流密度为0.5A/g条件下,Fe_2O_3/碳纳米管复合材料的比电容高达618F/g,在500次循环之后电容保持率可达56.8%。     

固体氧化物燃料电池新型钙钛矿La_(0.9)Ca_(0.1)Fe_(0.9)Nb_(0.1)O_(3-δ)阳极的制备及其性能研究

Ni-YSZ作为固体氧化物燃料电池(SOFCs)的传统阳极具有良好的催化性能,但存在碳沉积、抗氧化还原能力差及硫毒化等问题,因此钙钛矿型材料以其良好的催化活性及耐H_2S毒化能力而成为研究热点。为此,本工作开发出了一种新型的Nb掺杂Fe基钙钛矿阳极材料La_(0.9)Ca_(0.1)Fe_(0.9)Nb_(0.1)O_(3-δ)。Fe位引入Nb显著地提高了材料在高温还原气氛中的结构稳定性,而对材料的热膨胀行为影响很小,掺杂前后材料的热膨胀系数分别为11.67×10~(-6)K~(-1)和11.57×10~(-6)K~(-1)。掺入Nb提高了阳极材料在还原气氛中的电导率,该材料在800℃时氢气中的电导率为1.95 S/cm。测试结果表明,La_(0.9)Ca_(0.1)Fe_(0.9)Nb_(0.1)O)(3-δ)阳极在H_2和CO中均表现出优异的放电性能,在800℃时放电功率分别达到539和491 m W/cm~2,电池在CO中放电200 h性能无衰减,显示出很好的长期稳定性。研究表明La_(0.9)Ca_(0.1)Fe_(0.9)Nb_(0.1)O_(3-δ)是一种极具应用前景的新型钙钛矿阳极材料。     

Sn_(0.85)Ga_(0.15)P_2O_7/聚苯醚复合电解质的中温电性能探索

合成了复合电解质Sn_(0.85)Ga_(0.15)P_2O_7/聚苯醚(Sn_(0.85)Ga_(0.15)P_2O_7/PPO)。通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对产物进行分析,XRD结果表明Sn_(0.85)Ga_(0.15)P_2O_7和PPO复合没有发生反应生成新物质,SEM结果表明样品致密性良好。采用电化学工作站对Sn_(0.85)Ga_(0.15)P_2O_7/PPO的中温电性能(100~350℃)进行了研究。电化学结果表明,湿润氧气气氛中Sn_(0.85)Ga_(0.15)P_2O_7/PPO在300℃即可达到最大值1.2×10~(-2)S/cm。其在300℃开路条件下的电解质阻抗、极化阻抗分别为8.69和0.51Ω·cm~2。H_2/O_2燃料电池性能测试表明,在0.54V时有最大输出功率密度60.5mW/cm~2。