R-P型層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)對稱電極的制備與性能研究
發(fā)布時間：2021-01-27 02:40
固體氧化物燃料電池（SOFCs）可將多種燃料的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能,具有高效、清潔的優(yōu)點。然而,傳統(tǒng)的SOFC制作工藝復(fù)雜、成本高,并且在烴類燃料下陽極會出現(xiàn)碳沉積、硫中毒的現(xiàn)象。對稱固體氧化物燃料電池（SSOFCs）通過使用同一種材料作為陰、陽極使制作工藝簡化、成本低廉從而得到廣泛關(guān)注。并且該結(jié)構(gòu)電池可通過調(diào)換陰極和陽極兩側(cè)氣路來解決傳統(tǒng)SOFC遇到的碳沉積以及硫中毒的問題。本文對不同層數(shù)的R-P型層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)對稱電極進行研究,對其進行摻雜、復(fù)合改性等優(yōu)化處理,并對其進行粉體XRD物相及XPS分析,測試了粉體化學相容性和熱膨脹系數(shù),探討了電極導電性和氧化還原氣氛下的穩(wěn)定性。主要內(nèi)容如下:采用檸檬酸-EDTA合成法制備的R-P型電極粉體（A3B2O7）La0.25Sr2.75Fe2O7-δ（LSFO7）與GDC具有良好的化學匹配性,并且在氧化還原氣氛中展現(xiàn)了優(yōu)異的氧化還原可逆性以及電導性能。其中在空氣氧化氣氛中...
【文章來源】：中國礦業(yè)大學江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：78 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
SOFC工作原理示意圖：（a）H-SOFC；（b）O-SOFCFigure1-1Theschematicdiagramof(a)H-SOFCand(b)O-SOFC
1緒論9境下，因此電極也需要在這種氧化還原氣氛（較寬的氧分壓）下保持與相接觸部件有著良好的熱匹配性。圖1-2陽極側(cè)三相反應(yīng)界面示意圖Figure1-2Schematicdiagramofthreephasereactioninterfaceonanode1.5對稱固體氧化物燃料電池電極材料的研究進展(AdvancesinElectrodeMaterialsforSymmetricalSolidOxideFuelCells)近年來，許多研究人員對傳統(tǒng)SOFC的非Ni基離子-電子混合導體的陽極做出了研究報道[47-49]。這種陽極大多數(shù)是鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)、雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)以及類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的電極材料都具有較好的混合電導性以及較好的氧離子交換系數(shù)。事實上，用于傳統(tǒng)SOFC的大多數(shù)非金屬陽極材料都適合作為SSOFC電極材料，因為傳統(tǒng)SOFC的陽極材料處于燃料還原氣氛和空氣中都具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于傳統(tǒng)SOFC的陰極材料在燃料還原氣氛中不一定會保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此其并不一定適合作為SSOFC電極材料。目前為止，SSOFC電極材料的研究體系有LnMO3基、SrTiO3基、SrFeO3基和Sr2Fe1.5Mo0.5O6基等。1.5.1LnMO3（Ln=La，Pr）基電極材料LnCrO3基電極早期時間被用作傳統(tǒng)SOFC的電極材料，發(fā)現(xiàn)其無論是在氫氣還原氣氛下還是在空氣氧化氣氛下都能夠保持一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，由于也表現(xiàn)出了良好的電導行為，所以將其也將其運用在SSOFC中。其中以La0.7Ca0.3CrO3（LCC）為例的A位摻雜的對稱電極已經(jīng)成功運用在SSOFC中[50]，以LCC為對稱電極，厚度為200μm的YSZ為電解質(zhì)制備的SSOFC在氫氣作為燃料氣體時950℃下最大功率達到110mW/cm2；當以CH4為燃料時，單電池在其氣氛下的催化活性并不高，最大功率值只有25mW/cm2。這些測試表明LCC為對稱電極制備的單電池都不能滿足商業(yè)化的需求[51]。鈣鈦礦型材料對于燃料氣體的催化活性主要靠B
目[70]。當 n=1 時[71-72]，為典型的 K2NiF4 型層狀類鈣鈦礦氧化物（具有一層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和一層 AO 巖鹽層）；當 n=2 時，為雙層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)夾一層 AO 巖鹽層結(jié)構(gòu)的類鈣鈦礦氧化物；而當 n=∞時，即為常見的鈣鈦礦（ABO3）結(jié)構(gòu)。A 位主要為 Ba、La、Ca 等金屬元素，B 位大多數(shù)為過渡族變價元素（Fe、Co、Ni 等），可采取調(diào)節(jié) A、B 位之間的成分，改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)氧含量變化，讓該結(jié)構(gòu)內(nèi)部最大量存在氧的非化學計量比（高或低的計量比），從而使內(nèi)部結(jié)構(gòu)擁有一定的化學缺陷，而這一化學缺陷將會大大改善該結(jié)構(gòu)材料的電化學性能。同時，該類型結(jié)構(gòu)的材料有著高溫條件下穩(wěn)定性好、離子-電子混合電導率高、氧體擴散和表面交換能力強以及催化活性高等優(yōu)點。
本文編號：3002275
【文章來源】：中國礦業(yè)大學江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：78 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
SOFC工作原理示意圖：（a）H-SOFC；（b）O-SOFCFigure1-1Theschematicdiagramof(a)H-SOFCand(b)O-SOFC
1緒論9境下，因此電極也需要在這種氧化還原氣氛（較寬的氧分壓）下保持與相接觸部件有著良好的熱匹配性。圖1-2陽極側(cè)三相反應(yīng)界面示意圖Figure1-2Schematicdiagramofthreephasereactioninterfaceonanode1.5對稱固體氧化物燃料電池電極材料的研究進展(AdvancesinElectrodeMaterialsforSymmetricalSolidOxideFuelCells)近年來，許多研究人員對傳統(tǒng)SOFC的非Ni基離子-電子混合導體的陽極做出了研究報道[47-49]。這種陽極大多數(shù)是鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)、雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)以及類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的電極材料都具有較好的混合電導性以及較好的氧離子交換系數(shù)。事實上，用于傳統(tǒng)SOFC的大多數(shù)非金屬陽極材料都適合作為SSOFC電極材料，因為傳統(tǒng)SOFC的陽極材料處于燃料還原氣氛和空氣中都具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于傳統(tǒng)SOFC的陰極材料在燃料還原氣氛中不一定會保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此其并不一定適合作為SSOFC電極材料。目前為止，SSOFC電極材料的研究體系有LnMO3基、SrTiO3基、SrFeO3基和Sr2Fe1.5Mo0.5O6基等。1.5.1LnMO3（Ln=La，Pr）基電極材料LnCrO3基電極早期時間被用作傳統(tǒng)SOFC的電極材料，發(fā)現(xiàn)其無論是在氫氣還原氣氛下還是在空氣氧化氣氛下都能夠保持一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，由于也表現(xiàn)出了良好的電導行為，所以將其也將其運用在SSOFC中。其中以La0.7Ca0.3CrO3（LCC）為例的A位摻雜的對稱電極已經(jīng)成功運用在SSOFC中[50]，以LCC為對稱電極，厚度為200μm的YSZ為電解質(zhì)制備的SSOFC在氫氣作為燃料氣體時950℃下最大功率達到110mW/cm2；當以CH4為燃料時，單電池在其氣氛下的催化活性并不高，最大功率值只有25mW/cm2。這些測試表明LCC為對稱電極制備的單電池都不能滿足商業(yè)化的需求[51]。鈣鈦礦型材料對于燃料氣體的催化活性主要靠B
目[70]。當 n=1 時[71-72]，為典型的 K2NiF4 型層狀類鈣鈦礦氧化物（具有一層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)和一層 AO 巖鹽層）；當 n=2 時，為雙層鈣鈦礦結(jié)構(gòu)夾一層 AO 巖鹽層結(jié)構(gòu)的類鈣鈦礦氧化物；而當 n=∞時，即為常見的鈣鈦礦（ABO3）結(jié)構(gòu)。A 位主要為 Ba、La、Ca 等金屬元素，B 位大多數(shù)為過渡族變價元素（Fe、Co、Ni 等），可采取調(diào)節(jié) A、B 位之間的成分，改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)氧含量變化，讓該結(jié)構(gòu)內(nèi)部最大量存在氧的非化學計量比（高或低的計量比），從而使內(nèi)部結(jié)構(gòu)擁有一定的化學缺陷，而這一化學缺陷將會大大改善該結(jié)構(gòu)材料的電化學性能。同時，該類型結(jié)構(gòu)的材料有著高溫條件下穩(wěn)定性好、離子-電子混合電導率高、氧體擴散和表面交換能力強以及催化活性高等優(yōu)點。
本文編號：3002275
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