Ag-Cu钎料与双相陶瓷透氧膜的润湿和界面反应研究

用座滴法测试Ag-Cu合金钎料对Ce_0.8Gd_0.2O_2-δ-NdBaCo₂O_5+δ(CGO-NBCO)双相透氧膜的润湿性, 利用SEM-EDS分析润湿和界面反应机理。结果表明: 空气条件下Ag-Cu合金与CGO-NBCO间的润湿遵从界面反应润湿机制。随着Cu含量的增加, Ag-Cu合金对透氧膜润湿性能提高, Cu含量为6.6mol%~15.8mol%时, 润湿角在35°~20°左右。在润湿界面处出现Cu氧化物的富集, 并且在透氧膜侧生成一层由Cu氧化物和CGO-NBCO双相透氧膜反应产生的Ba-Cu-O、Co-Cu-O和Nd-Ce-Cu-O等复杂氧化物相构成的产物层, 新的界面反应层的生成有利于Ag基合金钎料的润湿, 改善了钎料的润湿性能。     

电解质表面微结构对固体氧化物燃料电池的阴极极化电阻的影响

在固体氧化物燃料电池(SOFC)中, 电解质对阴极界面极化电阻(R_c)有着显著影响。通过测量以Sm_0.2Ce_0.8O_2-δ (SDC)为电解质、(La_0.85Sr_0.15)_0.9MnO_3-δ(LSM)和La_0.6Sr_0.4Fe_0.8Co_0.2O_3-δ(LSCF)为阴极的对称电池的交流阻抗谱, 研究SDC电解质表面微结构(晶粒大小和晶界长度)对R_c的影响。通过改变烧结温度和时间, 制备出具有不同晶粒尺寸和晶界密度的电解质。通过SEM得到微结构参数, 建立R_c与这些参数的联系。结果发现, 随着晶粒尺寸的减小、晶界密度的增加, R_c明显降低。此外, 对于LSM电极, 晶界密度的增加, 促进了阴极反应的氧离子传导。     

基于Pr0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-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_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ(PSCF)和Gd_0.2Ce_0.8O_2-δ(GDC)粉体, 高温固相法合成La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_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 Ω·cm²下降到0.314 Ω·cm²; 以加湿H₂(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 mW/cm²增大至463 mW/cm²。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。     

中温固体氧化物燃料电池Nd2NiO4+δ-Ce0.8Gd0.2O2-δ复合阴极性能研究

研究了Nd₂NiO_4+δ (NNO)-Ce_0.8Gd_0.2O_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NiO-YSZ阳极支撑层、NiO-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_0.6Sr_0.4CoO_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/cm² (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 Ω·cm²。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。     

固体氧化物燃料电池新型钙钛矿La0.9Ca0.1Fe0.9Nb0.1O3-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H₂S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_0.9Ca_0.1Fe_0.9Nb_0.1O_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_0.9Ca_0.1Fe_0.9Nb_0.1O_3-δ阳极在H₂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 mW/cm², 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_0.9Ca_0.1Fe_0.9 Nb_0.1O_3-δ是一种极具应用前景的新型钙钛矿阳极材料。     

Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ-Ce0.9Gd0.1O2-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_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(BSCF)粉体后, 使用Ce_0.9Gd_0.1O_2-δ(GDC)溶胶包裹BSCF粉的方法制备疏松多孔的BSCF-xGDC(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 Ω•cm²; 以BSCF-40GDC为阴极制备的单电池, 以H₂+3%H₂O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/cm², 欧姆电阻为0.257 Ω•cm², 两极极化电阻为0.0588 Ω•cm²。     

固体氧化物燃料电池阳极的相转化流延制备和电化学性能研究

采用相转化流延一步制备了NiO-Zr_0.84Y_0.16O_2-δ (YSZ)阳极支撑层和功能层, 前者厚度为~700 μm, 含有沿厚度方向定向排列的开放直孔, 后者厚度为~60 μm。采用浆料涂膜法和高温共烧在阳极上制备厚度为15 μm的YSZ电解质薄膜, 丝网印刷制备YSZ-La_0.84Sr_0.16MnO_3-δ (LSM)(质量比50:50)阴极。所制备的单电池显示出较高的电输出性能。以H₂-3%H₂O为燃料和环境空气为氧化剂, 800 ℃时电池的峰功率密度达到891 mW/cm², 电池即使在高电流密度测试条件下也未出现明显的浓差极化, 这是由于其阳极具有开放直孔结构, 气相输运阻力小。     

共压共烧法制备La0.8Sr0.2(Ga0.8Mg0.2)0.1Fe0.9O3-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_0.8Sr_0.2(Ga_0.8Mg_0.2)_0.1Fe_0.9O_3-δ(LSGMF)混合导体和La_0.8Sr_0.2Ga_0.8Mg_0.2O_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, lgI_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 eV。800℃、0.3mol%<x(O₂)<21.0mol%时, 极限电流I_L与氧含量x(O₂)间的关系为: I_L(mA)=10.285x(O₂)(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。     

蒸汽相转化涂晶法SAPO-34分子筛膜的制备及表征

采用一种新型涂晶方法即蒸汽相转化涂晶法, 在廉价大孔α-Al₂O₃载体上水热合成制备高质量的SAPO-34分子筛膜。该方法能够有效修复α-Al₂O₃载体的大孔缺陷, 通过制备平整均匀的晶种层, 最终得到了连续并且无明显“针孔”缺陷的SAPO-34膜。实验考察了浆料中添加尺寸分别为2 μm、1 μm、500 nm及100 nm的晶种对形成晶种层及分子筛膜的影响, 并将制备的分子筛膜用于渗透汽化异丙醇脱水实验。在75℃下对90wt%的异丙醇/水混合物具有优良的分离性能, 其通量和分离系数分别为1.396 kg/(m²·h)和973。     

含氟体系下亲水性ZSM-5沸石分子筛膜的制备及其性能

用变温热浸渍法在廉价大孔α-Al₂O₃的载体管上涂覆大小晶种引入平整均匀的晶种层, 随后在无有机模板剂的含氟体系下通过二次水热生长法制备了亲水性ZSM-5沸石分子筛膜。实验考察了小晶种液浓度对形成晶种层及ZSM-5沸石分子筛膜形貌和性能的影响。并将制备的ZSM-5沸石分子筛膜分别用于渗透汽化异丙醇脱水和乙酸脱水体系中。结果显示, 小晶种液浓度为0.2wt%时, 制备的ZSM-5沸石分子筛膜在75℃下对10wt%水/异丙醇和10wt% 水/乙酸混合物体系均具有优良的分离性能, 其渗透通量分别为3.64 kg/(m²·h)和0.61 kg/(m²·h), 分离因子分别达3204和1321。     

超声辅助溶胶-凝胶法制备中空纤维TiO2超滤膜

TiO₂膜具有亲水性强和热化学稳定性好等优点而用于超滤分离, 但是TiO₂膜以管式膜为主, 渗透通量低且制备周期长。为了提高TiO₂膜的渗透通量, 并缩短膜的制备周期, 本工作以钛酸四丁酯为前驱体, 采用超声辅助溶胶-凝胶法制备高通量的中空纤维负载型TiO₂超滤膜。系统考察了硝酸与钛酸四丁酯的摩尔比(酸钛比)、超声时间和煅烧温度对TiO₂溶胶粒径及膜截留性能的影响。结果表明：当酸钛比为0.25时, 溶胶的平均粒径为3252 nm, 采用超声处理30 s后, 平均粒径减小至1817 nm。采用超声后的溶胶循环涂膜并在350 ℃煅烧两次后可得到完整无缺陷的中空纤维TiO₂超滤膜, 膜层平均厚度为1 μm, 膜的纯水渗透通量为145 L·m^-2·h^-1·bar^-1(1 bar=0.1 MPa), 葡聚糖截留分子量为2586 Da, 对应的平均孔径为2.5 nm。     

纳米结构LSCF-SDC复合阴极的制备及其氧还原机理研究

利用浸渍法制备了La_0.6Sr_0.4Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(LSCF)/Ce_0.8Sm_0.2O_1.9(SDC)纳米复合阴极, 利用XRD、SEM对阴极的相组成及微观结构进行了分析。LSCF前驱体在800℃煅烧4 h后获得平均颗粒尺寸为50 nm的纯LSCF相。测试了在不同LSCF浸渍量及氧分压条件下阴极的阻抗谱, 研究了O₂在LSCF/SDC复合阴极的还原机制及LSCF的浸渍量对复合阴极性能的影响。研究结果表明, 在浸渍法制备的LSCF/SDC纳米复合阴极中, O₂在阴极的还原反应涉及到O₂在阴极表面的吸附与解离、O^2-在阴极体内的传输及O^2-在电极与电解质的界面之间的传输三个子过程, 其中O^2-在阴极体内的传输为O₂的还原反应的速率控制步骤。改变LSCF在阴极的浸渍量并没有改变O^2-在复合阴极的反应机制, 阴极极化电阻随LSCF浸渍量的增加先减小再增大, 浸渍相的体积分数为16.5%时, 阴极极化电阻最小。     

LaxSr2-xFe1.5Ni0.1Mo0.4O6-δ对称电池电解CO2研究

固态氧化物电解池(SOECs)因较高的能量转化效率在电化学还原CO₂, 实现“碳中和”社会方面备受关注。与非对称电池结构相比, 对称SOECs的空气极和燃料极是相同或相近的材料, 可以减少界面种类, 改善电极与电解质的热膨胀匹配性, 简化电池的制备工艺。本研究合成了钙钛矿氧化物La_xSr_2-xFe_1.5Ni_0.1Mo_0.4O_6-δ (L_xSFNM, x=0.1、0.2、0.3、0.4), 作为固体氧化物电解池的对称电极用于评估纯CO₂的电化学还原性能。掺入La³⁺可以有效提高反应催化活性, 其中L_0.3SFNM为电极的电解池表现出最高的电化学性能, 800 ℃下, 在空气中的极化电阻为0.07 Ω∙cm², 在50% CO-50% CO₂中的极化电阻为0.62 Ω∙cm²。单电池L_0.3SFNM@LSGM|LSGM|L_0.3SFNM@LSGM在800 ℃和1.5 V电压下的电解电流密度为1.17 A∙cm^-2, 在初始的50 h CO₂短期电解测试中表现出优异的稳定性, 是一种理想的对称电极材料。     

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、...