中溫固體氧化物燃料電池?fù)诫sCeO-,2-基電解質(zhì)的制備和性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換裝置。該領(lǐng)域的研究趨向是追求操作溫度中溫化，以克服傳統(tǒng)高溫SOFC(操作溫度約1000℃左右)的種種技術(shù)和材料問題，并進(jìn)一步提高性能和降低制造成本。實(shí)現(xiàn)中溫化主要有兩條途徑：一是尋找在中溫時(shí)具有高的氧離子電導(dǎo)率的新型電解質(zhì)，主要集中在具有立方螢石結(jié)構(gòu)的摻雜CeO2材料上；另一種是將電解質(zhì)薄膜化。迄今，大量文獻(xiàn)報(bào)道了關(guān)于摻雜CeO2基電解質(zhì)的研究，然而就其理論解釋仍然存在很多不足之處

2、。本論文立足于摻雜CeO2基電解質(zhì)的研究，試圖從電解質(zhì)的摻雜離子濃度、制備方法、化學(xué)組成、氧空位濃度和形貌等多角度考察影響電解質(zhì)電導(dǎo)性能的因素。主要工作成果歸納如下： 1、摻雜離子濃度對CeO2基電解質(zhì)電導(dǎo)性能的影響 采用溶膠-凝膠法合成Ce1-xSmxO2-δ(x=0，0.1，0.2)系列固體電解質(zhì)。通過XRD、Raman、SEM和交流阻抗技術(shù)系統(tǒng)研究摻雜離子濃度對電解質(zhì)導(dǎo)電性能的影響。研究結(jié)果表明，Ce0.9Sm0.

3、1O2-δ和Ce0.8Sm0.2O2-δ電解質(zhì)的相對密度和晶粒大小都十分接近。較多Sm3+的摻入能促使樣品形成更多的氧空位，更有利于O2-的傳遞，從而使得Ce0.8Sm0.2O2-δ的電導(dǎo)性能高于Ce0.9Sm0.1O2-δ樣品。 2、不同熱處理方法對CeO2基電解質(zhì)電導(dǎo)性能的影響 采用兩種不同熱處理的檸檬酸溶膠-凝膠法制備Ce0.8Sm0.2O2-δ電解質(zhì)。結(jié)果顯示在N2熱處理制備樣品的過程中，由于碳包裹在前軀體的周圍

4、阻礙了粒子的增長，因而通過這種熱處理方法能制備出粒子大小在10 nm以內(nèi)的樣品。同時(shí)這些超細(xì)納米粒子在燒結(jié)初期能形成較大的成核晶粒，最后形成高致密度和較大晶粒的電解質(zhì)。研究結(jié)果表明即使在相同氧空位濃度條件下，通過N2熱處理制備的電解質(zhì)由于其高致密度和大晶粒使得其電導(dǎo)性能得到了極大的提高。 3、雙摻雜對CeO2基電解質(zhì)電導(dǎo)性能的影響 采用檸檬酸溶膠-凝膠法制備Ce0.8Sm0.1Nd0.1O2-δ、Ce0.8Sm0.2O2

5、-δ和Ce0.8N0.2O2-δ電解質(zhì)。運(yùn)用XRD、SEM、原位Raman和交流阻抗技術(shù)來考察雙摻雜對電解質(zhì)導(dǎo)電性能的影響。SEM結(jié)果顯示Ce0.8N0.2O2-δ和Ce0.8Sm0.1Nd0.1O2-δ電解質(zhì)的晶粒大于Ce0.8Sm0.2O2-δ的晶粒。原位Raman結(jié)果表明，雙摻雜樣品Ce0.8Sm0.1Nd0.1O2-δ的氧空位濃度最高，Ce0.8N0.2O2-δ的氧空位濃度其次，Ce0.8Sm0.2O2-δ的最少。樣品的電導(dǎo)性能

6、不僅與形貌有關(guān)而且也與氧空位濃度有著密切的關(guān)系。Ce0.8Sm0.1Nd0.1O2-δ電解質(zhì)由于具有大晶粒和高氧空位濃度從而表現(xiàn)出較好的電導(dǎo)性能。 4、助燒結(jié)劑對CeO2基電解質(zhì)的性能影響 采用溶膠-凝膠法制備了摻雜Co3O4的Ce0.8Sm0.2O2-δ粉末，考察了少量Co3O4摻雜對電解質(zhì)燒結(jié)性能和電導(dǎo)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過少量Co3O4摻雜的電解質(zhì)，其燒結(jié)活性明顯提高，同時(shí)在1200℃就可燒結(jié)致密，比未摻雜的C