SOFC中SDC電解質(zhì)和NiO-SDC陽(yáng)極材料的制備和表征.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)由于具有高效、清潔、經(jīng)濟(jì)、安全等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注，單電池由陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)組成。目前的趨勢(shì)是研究在800℃以下工作的中低溫SOFC。摻雜CeO2材料由于在800℃以下具有很高的離子電導(dǎo)率，因而被認(rèn)為是很有應(yīng)用前景SOFC的電解質(zhì)和陽(yáng)極材料。在眾多摻雜CeO2材料中，Sm2O3摻雜CeO2(SDC)最具有應(yīng)用潛力。作為SOFC的電解質(zhì)材料，要求SDC陶瓷具有高的致密度和大的晶粒尺寸。而SOFC的陽(yáng)極材料

2、Ni-SDC陶瓷，則需要具有多孔、Ni和SDC兩相之間均勻連續(xù)分布的結(jié)構(gòu)。眾所周知，陶瓷粉末對(duì)陶瓷的燒結(jié)特性有很大的影響，因此，要求SDC粉末和NiO-SDC粉末具有合適的形貌、顆粒尺寸及分布。一般條件下，球形形貌、尺寸在50nm～0.5μm之間且分布窄的粉末有利于陶瓷的燒結(jié)。 在眾多的制備SDC和NiO-SDC粉末的方法中，噴霧熱解法在制備球形粉末方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)來(lái)控制顆粒的尺寸和分布，同時(shí)具有產(chǎn)物

3、組分不偏析等優(yōu)點(diǎn)。此外，噴霧熱解法還具有制備過(guò)程簡(jiǎn)單，能夠滿(mǎn)足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)要求的特點(diǎn)。因此，根據(jù)SOFC電解質(zhì)和陽(yáng)極材料的要求，利用噴霧熱解法制備SDC電解質(zhì)粉末和NiO-SDC陽(yáng)極粉末。 本文制備了兩種不同組成的噴霧液，其中一種是以NH4HCO3為沉淀劑制備的噴霧液(AHC)、另一種則是以(NH4)2CO3為沉淀劑制備的噴霧液(AC)。 利用XRD、SEM、TEM以及TG-DTA等測(cè)試方法，結(jié)合噴霧液的組成、噴霧熱

4、解產(chǎn)物和SDC電解質(zhì)粉末的形貌及顆粒尺寸、SDC電解質(zhì)陶瓷的致密度和晶粒尺寸，針對(duì)不同組成的噴霧液對(duì)SDC陶瓷致密化過(guò)程的影響進(jìn)行了研究。并得出如下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 1、不同的噴霧液導(dǎo)致了噴霧熱解產(chǎn)物的形貌和晶相結(jié)構(gòu)的不同。利用AHC制備的噴霧熱解產(chǎn)物具有片狀形貌，并且含有Ce2(CO3)36H2O的晶相；利用AC制備的噴霧熱解產(chǎn)物為無(wú)定形的球形形貌。 2、熱處理過(guò)程導(dǎo)致SDC電解質(zhì)粉末的形貌與噴霧熱解產(chǎn)物的形貌的不同。利用

5、AHC制備的SDC電解質(zhì)粉末仍然保持片狀形貌，尺寸為3～5μm；利用AC制備的SDC電解質(zhì)粉末則具有小顆粒輕微的開(kāi)放式團(tuán)聚的形貌，團(tuán)聚體的尺寸為0.5μm左右。這些差別是由兩種沉淀劑的CO32-濃度和pH值的不同造成的 3、SDC電解質(zhì)粉末的不同的形貌決定了陶瓷的致密化和晶粒長(zhǎng)大的難易不同。AHC制備的SDC陶瓷在1350℃的溫度下燒結(jié)，陶瓷的相對(duì)密度(80％以下)和晶粒尺寸(0.5μm以下)都不太理想；AC制備的陶瓷在燒結(jié)溫度

6、為1250℃，得到94％以上的相對(duì)密度和0.86μm以上的晶粒尺寸。 根據(jù)以上研究發(fā)現(xiàn)，噴霧液的不同影響噴霧熱解產(chǎn)物和SDC電解質(zhì)粉末的形貌，并進(jìn)一步影響了SDC陶瓷的致密化過(guò)程。粉末具有片狀形貌和大的團(tuán)聚體尺寸對(duì)陶瓷的致密化過(guò)程是不利的，而小的團(tuán)聚尺寸和開(kāi)放式的形貌則有利于陶瓷的致密化和晶粒長(zhǎng)大。選擇以(NH4)2CO3為沉淀劑的噴霧液，在較低的燒結(jié)溫度下(1250℃)制備出具有較高的相對(duì)密度(94％)和較大晶粒尺寸(0.86

7、μm)的SDC電解質(zhì)陶瓷，在SOFC電解質(zhì)上有很好的應(yīng)用前景。 本文對(duì)納米NiO-SDC陽(yáng)極粉末的制備進(jìn)行了研究，制備了兩種噴霧液，一種是Ni溶膠與Ce-Sm溶液混合的膠體溶液，另一種是Ce-Sm溶膠與Ni溶液混合的膠體溶液。 1、NiO-SDC陽(yáng)極粉末的顆粒大小隨噴霧液濃度的增大而增大。 2、NiO相的生長(zhǎng)比SDC相容易，當(dāng)NiO作為形核中心時(shí)，兩相的發(fā)育程度相近；當(dāng)SDC作為形核中心時(shí)，NiO相的發(fā)育程度遠(yuǎn)高