基于X射線成像技術(shù)研究固體氧化物燃料電池電極三維微結(jié)構(gòu).pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是將反應物的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學裝置，其作為一種新型的，潔凈的能源，是解決能源利用率低和環(huán)境污染雙重問題的高新技術(shù)。但是在SOFC長期運行中，發(fā)現(xiàn)其性能會發(fā)生急劇下降，壽命大大的降低，這是SOFC大范圍的推廣所面臨的一個重大問題，制約著SOFC的發(fā)展。提高SOFC性能的關鍵是獲得能夠抵御老化和污染的高效率、長壽命的電極。那么，如何優(yōu)化微納米多孔結(jié)構(gòu)電極而使其具有抗腐蝕和污染能力是電池研究和開發(fā)的重點

2、。無損獲得電極內(nèi)部連通孔隙和渠道等信息就顯得很有意義，但是現(xiàn)有的實驗方法（比如電鏡）幾乎不可能滿足上述要求。為此，發(fā)展一種能夠觀察孔隙和渠道尺寸、分布以及連通性的三維顯微成像工具，原位無損傷研究SOFC電極三維結(jié)構(gòu)及其在運作時的變化情況，對研究這些具有納米多孔結(jié)構(gòu)的電極中物理和化學變化過程具有重要的意義。最近發(fā)展起來的基于波帶片放大成像的硬X射線三維成像技術(shù)，由于具有強穿透性和高空間分辨率兩大特性，而且無需機械切片，就可以得到較厚的復雜

3、材料的三維結(jié)構(gòu)圖像，而被廣泛的應用于生物、醫(yī)學、環(huán)境、材料和微電子等學科。合肥國家同步輻射實驗室建設了一條基于波帶片的硬X射線顯微成像光束線站，其成像空間分辨率達到50納米?；诖藢嶒炂脚_，本論文主要開展了以下幾方面的工作：
　　 1．X射線顯微成像實驗站的調(diào)試和元素吸收邊成像實驗方法的發(fā)展
　　 介紹了國家同步輻射實驗室(NSRL)的硬X射線顯微成像系統(tǒng)，包括其主要光學元件、系統(tǒng)的特點及其性能。描述了NSRL成像站上的

4、三種成像方法。在吸收襯度成像的基礎上發(fā)展了元素吸收邊成像方法?；贜i-YSZ樣品重點比較了相位襯度成像和元素吸收邊成像的差異，展示了元素吸收邊成像的優(yōu)越性，為研究物質(zhì)的元素分布開辟了一個新的道路。
　　 2．X射線元素吸收邊成像方法重構(gòu)Ni-YSZ陽極的三維結(jié)構(gòu)
　　 利用Ni的吸收邊特性重構(gòu)出了Ni-YSZ陽極（包括功能層和支撐層）的三維結(jié)構(gòu)?；诘玫饺S重構(gòu)片層成功地把Ni-YSZ陽極中Ni、YSZ和Pore三相區(qū)

5、分開，發(fā)展了一系列的數(shù)據(jù)分析方法來定量分析Ni-YSZ陽極微結(jié)構(gòu)，分析了重構(gòu)數(shù)據(jù)體積的可靠性，在三維空間里提取到了陽極一些重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，比如Ni、YSZ和Pore三相的體積分數(shù)、各相的連通性、各相平均顆粒大小、各相的比表面面積和三相界面長度及分布，這些結(jié)構(gòu)參數(shù)信息是無法用傳統(tǒng)方法定量分析計算能得到的。Ni-YSZ陽極三維層面上的結(jié)構(gòu)參數(shù)的獲取為我們了解其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)提供了必要的信息。
　　 3．基于元素吸收邊成像研究了熱循環(huán)條

6、件下Ni-YSZ功能層的微結(jié)構(gòu)和性能演變
　　 為了了解電極在使用過程中的退化機制，利用X射線元素吸收邊成像研究了Ni-YSZ陽極功能層在熱循環(huán)條件下的結(jié)構(gòu)演變，計算并分析了Ni、YSZ和Pore三相的一些參數(shù)變化。研究表明熱循環(huán)過程中陽極材料中的Ni顆粒發(fā)生了聚集現(xiàn)象，促使Ni顆粒變大。在高溫環(huán)境下Ni顆粒的遷移導致Ni相的連通性變的比較差，連通的Ni變少致使其導電能力變?nèi)酰唧w表現(xiàn)為陽極的電導率會變小，對樣品進行的電化學測試

7、結(jié)果證實了這一點。此外，隨著陽極熱循環(huán)次數(shù)增加，其內(nèi)部總的和連通的三相界面(TPB)長度值都是逐漸的變小，這就說明在熱循環(huán)條件下，陽極內(nèi)的反應位點在逐漸的減少，進而會影響其內(nèi)部的氧離子還原反應速率，降低電極的性能，最終導致電池的總體性能變差。
　　 4．燃料電池陰極的三維結(jié)構(gòu)表征研究
　　 LSM-YSZ陰極的孔隙是一個比較重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然而由于陰極本身的厚度很薄，很難去利用傳統(tǒng)的測孔隙率方法測得陰極中的孔隙率大小。本

8、工作利用相位襯度成像方法成功重構(gòu)了LSM-YSZ陰極功能層的三維結(jié)構(gòu)?；谥貥?gòu)得到的三維數(shù)據(jù)，定量計算了LSM-YSZ陰極的孔隙率、連通孔隙率以及扭曲因子等結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　 基于對LSM-YSZ陰極三維結(jié)構(gòu)的成功表征，進一步地研究了不同燒結(jié)時間下陰極三維微結(jié)構(gòu)的演變。定量計算了不同燒結(jié)時間下陰極的一些關鍵參數(shù)，發(fā)現(xiàn)孔隙率隨著燒結(jié)時間的增加而下降；孔隙與LSM-YSZ顆粒的平均直徑和孔隙的扭曲因子會隨著燒結(jié)時間的延長而增大。這為研