【摘要】：選PrBa_(0.85)Ca_(0.15)Co_2O_(5+δ)(PBCC)作為陰極材料的骨架,分別采用溶膠-凝膠法、共沉淀法、EDTA-甘氨酸法和甘氨酸-硝酸鹽法制備出PBCC陰極材料,對材料的熱分析、物相、壓條截面和粉體的顯微結(jié)構(gòu)、電化學性能等進行測試,探究PBCC用來作中溫固體氧化物燃料電池(SOFC)陰極骨架的優(yōu)勢以及采用哪種方法用來制取的效果更好。經(jīng)熱重-差熱(TG-DTA)分析可知,為保證四種方法制備出穩(wěn)定的雙鈣鈦礦復合材料,對膠體及沉淀物的焙燒溫度定為1000℃。XRD測試顯示:制備的PBCC陰極材料經(jīng)處理后,沒有雜質(zhì)相出現(xiàn),均形成了四方型的雙鈣鈦礦相。掃描電鏡(SEM)的微觀結(jié)構(gòu)說明:溶膠-凝膠法制得材料的粒徑最小且顆粒形狀分布最規(guī)整,燒結(jié)性能好,有利于提高化學性能。電導率的測試知道:在大氣環(huán)境下,400-800℃溫度范圍內(nèi),溶膠-凝膠法制備PBCC的電導率高于其它三種方法的,其中在800℃最高,達到928 S/cm,最低是400℃的431 S/cm,共沉淀法的電導率最低為250S/cm,滿足不低于100 S/cm的要求。陰極材料由共沉淀法制備的熱膨脹系數(shù)最低為19.3×10~(-6) K~(-1),溶膠-凝膠法的低于其它兩種方法的,鑒于溶膠-凝膠法制備PBCC的優(yōu)良電化學性能,相對高些的TEC,可以通過與SDC復合摻雜過渡金屬元素制備出所需要的IT-SOFC陰極材料。為了研究過渡金屬元素的摻雜范圍,將其比例定位1:1,采用溶膠-凝膠法分別制備出PrBa_(0.85)Ca_(0.15)CoMO_(5+δ)(M=Fe、Mn、Ni、Cu)陰極材料,通過X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、直流四電極法、熱膨脹系數(shù)(TEC)測試的手段測試。研究表明:溶膠-凝膠法制備的PBCCM(M=Fe、Mn、Ni、Cu)均為雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu),陰極粉體顆粒小而且分布均勻,在溫度從400℃逐漸升高到800℃的過程中,PBCCM的電導率一直在減小,這與類金屬的導電機理相一致,摻雜Cu材料的電導率大于摻雜Fe、Mn和Ni的,在400℃最大達到451S/cm。Mn、Ni、Cu元素的摻入都能明顯的降低PBCCM陰極材料的熱膨脹系數(shù),效果以Cu為最佳。對Cu系列陰極材料進行范圍大些的摻雜,以Pr(NO_3)_3·6H_2O、Ba(NO_3)_2、Ca(NO_3)_2·4H_2O、Co(NO_3)_2·6H_2O和Cu(NO_3)_2·4H_2O為原料,EDTA-氨水溶液為絡(luò)合劑,檸檬酸為輔助絡(luò)合劑,采用溶膠-凝膠法制備出可用來作為SOFC陰極材料的PrBa_(0.85)Ca_(0.15)Co_(2-x)Cu_xO_(5+δ)(x=0.2、0.4、0.6、0.8、1;PBCCC),通過熱重-差熱分析(TG-DTA)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、直流四電極法,熱膨脹系數(shù)(TEC)、交流阻抗等測試。研究表明:溶膠-凝膠法制備的PBCCC陰極材料在1000℃煅燒一段時間后形成了穩(wěn)定的雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu),Cu的摻雜促使粉體粒徑變小、顆粒形狀規(guī)整、致密度高,燒結(jié)性能好。在大氣環(huán)境下,400-800℃的溫度范圍內(nèi),PBCCC陰極材料的電導率最高為648S/cm,最低也滿足不低于100S/cm的要求,并且在兼顧電導率高的情況下,熱膨脹系數(shù)明顯下調(diào)了很多,其中PrBa_(0.85)Ca_(0.15)Co_(2-x)Cu_xO_(5+δ)(x=1)的TEC為16.21×10~(-6) K~(-1),是其中綜合性能最好的,該系列陰極材料中電導率最高的PrBa_(0.85)Ca_(0.15)Co_(2-x)Cu_xO_(5+δ)(0.4、0.6、1)的極化阻抗都很小,便于陰極材料對氧的運輸。對Fe、Mn、Ni元素采取小比例的摻雜,制取的陰極材料進行同樣的表征分析發(fā)現(xiàn)三者的加入的確能夠降低陰極材料的TEC,但是相比于骨架PrBa_(0.85)Ca_(0.15)Co_2O_(5+δ)(PBCC)的電導率降低了很多,對TEC的降低幅度并不是很大,結(jié)合前期研究得出制備的PrBa_(0.85)Ca_(0.15)CoCuO_(5+δ)是性能最好的陰極材料。
【學位授予單位】：內(nèi)蒙古科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O614.334;TM911.4
【圖文】：

圖 1.1 SOFC 工作原理圖1.3.3.2 SOFC 的優(yōu)點SOFC 所用的電解質(zhì)以固體為主，它們可以是 YSZ、SDC 或者 GDC 等固體化合物，該應用與液態(tài)電解質(zhì)相比，不會出現(xiàn)腐蝕其他組件材料的現(xiàn)象，因此使用起來安全系數(shù)更高，SOFC 不僅僅具有這一項特長，還有如下的優(yōu)點：（1）與傳統(tǒng)能源利用相比，SOFC 少了熱力學效率低的干擾，不受卡諾循環(huán)制約，化學能直接轉(zhuǎn)變成電能，從而跳過了先轉(zhuǎn)換為熱能再到機械能的繁瑣過程，于是效率更高；（2）燃料選擇不再，氫氣（H2）、烷烴類化合物如丙烷（CH3CH2CH3）、醇類如乙醇（CH3CH2OH）、居家過日子的煤氣都可以作為燃料，如果將燃料完全使用氫氣，那么產(chǎn)物只有水，不會再有污染的發(fā)生，純綠色。（3）SOFC 歸屬于第三代燃料電池與第一，二代燃料電池相比，它的電流和功

圖 2.1 溶膠-凝膠法制備陰極粉體的流程圖法沉淀法制備PrBa0.85Ca0.15Co2O5+的流程圖，稱取適量的NO3)2·4H2O、Co(NO3)2·6H2O 后，將其全部溶于適量其完全溶解得到均一的粉色混合溶液，然后加入氨水 8-9；用去離子水多次洗滌沉淀物，再用乙醇抽濾洗滌干燥處理，將得到的固體物質(zhì)置于研缽研磨，最后放入馬h，得到 PBCC 陰極粉體。

圖 2.1 溶膠-凝膠法制備陰極粉體的流程圖2.3.1.2 共沉淀法圖2.2為共沉淀法制備PrBa0.85Ca0.15Co2O5+的流程圖，稱取適量的Pr(NO3)3·6H2O、Ba(NO3)2、Ca(NO3)2·4H2O、Co(NO3)2·6H2O 后，將其全部溶于適量的去離子水中，攪拌一段時間使其完全溶解得到均一的粉色混合溶液，然后加入氨水，越慢越好，調(diào)節(jié)溶液的 pH 為 8-9；用去離子水多次洗滌沉淀物，再用乙醇抽濾洗滌幾次，洗干凈后在 120℃條件下干燥處理，將得到的固體物質(zhì)置于研缽研磨，最后放入馬弗爐中在 1000℃條件下煅燒 5-6h，得到 PBCC 陰極粉體。圖 2.2 共沉淀法制備陰極粉體的流程圖

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本文編號：2777143