雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)NdBaCo2O6-δ陰極材料的優(yōu)化與高溫電化學(xué)性質(zhì)研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)由于其高效，無污染，不受卡諾循環(huán)限制的特點成為一種比較有前景的發(fā)電裝置。而陰極作為固體氧化物燃料電池的關(guān)鍵組份，一直是科研人員研究的熱點。本文以雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的NdBaCo2O6-δ為研究對象，分別從電極材料的組成和電極的微觀結(jié)構(gòu)角度出發(fā)對其進(jìn)行優(yōu)化，并對其進(jìn)行了詳細(xì)的物理化學(xué)性質(zhì)的表征及電化學(xué)性質(zhì)研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用溶膠原位復(fù)合法制備了NdBaCo2O6-δ-xCe0.9Gd0.1O

2、1.95(CGO)(x=0-10wt.％)復(fù)合陰極材料。NdBaCo2O6-δ與CGO在950℃具有良好的化學(xué)相容性，NdBaCo2O6-δ電極材料中復(fù)合CGO電解質(zhì)材料顯著提高了電極的催化性能，隨著CGO復(fù)合量的增大，電極極化面電阻先減小后增大，NdBaCo2O6-δ-5CGO陰極在700℃下的極化電阻值最低僅為0.038Ω cm2，氧還原反應(yīng)機(jī)理研究表明電極上氧還原反應(yīng)的速率控制步驟為電荷轉(zhuǎn)移過程。700℃時，單電池輸出功率為0.3

3、54Wcm-2。⑵采用傳統(tǒng)的高溫固相法制備了Nd1-xBaCo2O6-δ(x=0，0.02，0.04，0.06)陰極材料并考察了陽離子缺位對材料電化學(xué)性能的影響。該系列陰極材料在1100℃與CGO電解質(zhì)具有良好的高溫化學(xué)相容性。隨著陽離子缺位濃度的升高，電極材料的電導(dǎo)率逐漸降低，熱膨脹系數(shù)逐漸升高。缺位材料的極化電阻較母體材料有了明顯降低，Nd0.96BaCo2O6-δ材料的極化電阻最小，700℃時，Nd0.96BaCo2O6-δ的極化

4、面電阻為0.043Ω cm2，比母體材料NdBaCo2O6-δ的極化電阻降低了約80％。在不同的溫度和氧分壓條件下探究電極上的氧還原反應(yīng)(ORR)的反應(yīng)機(jī)理，結(jié)果表明電極上氧還原反應(yīng)的速率控制步驟為電荷轉(zhuǎn)移過程。引入陽離子缺位并未改變ORR反應(yīng)的速率控制步驟。極化測試結(jié)果表明，700℃時，當(dāng)陰極過電位為-20mV時，Nd0.96BaCo2O6-δ電極的電流密度可達(dá)到-200 mA cm-2，該值遠(yuǎn)高于母體材料。用Nd096BaCo2O6

5、-δ所制備的電解質(zhì)支撐全電池的輸出為0.334 W cm-2(700℃)。⑶在Nd0.96BaCo2O6-δ電極材料的基礎(chǔ)上，采用聚苯乙烯(PS)微球為造孔劑對電極微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，分別考察了不同PS球直徑大小和不同PS球用量對電極微觀結(jié)構(gòu)的影響及其對電極極化面電阻和電極上氧還原反應(yīng)過程的影響。結(jié)果表明，電極的微觀孔隙率隨PS球加入量的增大而增大，采用PS做造孔劑制備的陰極極化面電阻均較未加PS球的陰極有明顯降低，采用2.3μm PS球

6、作為造孔劑的陰極極化面電阻最小，700℃時為0.0148Ω cm2。電極氧還原反應(yīng)機(jī)理研究表明，引入PS球做造孔劑后明顯改善了電極上氧擴(kuò)散過程，阻抗譜中代表氧氣體擴(kuò)散過程的低頻弧消失，加快了氧還原反應(yīng)進(jìn)程。陰極上ORR反應(yīng)的速率控制步驟為電荷轉(zhuǎn)移過程。700℃時，當(dāng)陰極過電位為-25 mV時，電流密度可達(dá)到-200 mAcm-2遠(yuǎn)高于母體材料。用Nd0.96BaCo2O6-δ所制備的電解質(zhì)支撐全電池的輸出為0.436 W cm-2(70