【摘要】：固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種清潔、高效的發(fā)電裝置，在能源、化工、交通運(yùn)輸、航天、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。發(fā)展中低溫SOFC可以減少生產(chǎn)成本、延長(zhǎng)電池壽命以及擴(kuò)大電池材料的選擇，符合商業(yè)化發(fā)展的需求，是目前研究與開發(fā)的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。然而，隨著操作溫度的降低，SOFC陰極的極化電阻迅速增加，導(dǎo)致電池性能的下降，因此，研究和制備高性能的陰極成為備受關(guān)注的課題。陰極的電化學(xué)性能取決于材料的固有性質(zhì)及其微觀結(jié)構(gòu)，故而設(shè)計(jì)或優(yōu)化陰極的微觀結(jié)構(gòu)是獲得高性能陰極的重要途徑之一。本研究根據(jù)SOFC的三相界面原理及相關(guān)的電化學(xué)理論，設(shè)計(jì)并研制了一維納米La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)基陰極材料，成功制備了具有優(yōu)異性能的SOFC復(fù)合陰極。 利用靜電紡絲技術(shù)，通過調(diào)控紡絲工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了LSCF基陰極材料的可控制備。確立了靜電紡絲工藝參數(shù)（紡絲電壓為20kV，接收距離為15cm，噴頭的直徑為0.8mm，環(huán)境溫度、濕度：室溫，20-35%），通過控制前驅(qū)液中無機(jī)鹽的濃度(30%,20%,10%)及纖維的燒結(jié)溫度，獲得了納米顆粒(170nm)、一維納米管(280nm)、納米棒(220nm)以及納米纖維(100nm)結(jié)構(gòu)的LSCF陰極材料。將制備的納米顆粒(比表面積為15.7475m2g-1)、納米纖維(10.7810m2g-1)和納米棒(5.3178m2g-1)狀的LSCF陰極材料燒制成陰極，并利用交流阻抗技術(shù)對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。650℃下，LSCF納米顆粒、納米纖維和納米棒陰極的極化電阻分別為6.72、12.29和17.85Ω cm2。阻抗結(jié)果顯示，陰極的性能與材料的比表面積密切相關(guān)，比表面大的材料與電解質(zhì)接觸面積大，電化學(xué)反應(yīng)的三相界面大，，具有較小的界面極化電阻。通過在LSCF紡絲前驅(qū)液中添加具有高O2-離子傳導(dǎo)特性的Ce0.8Gd0.2O1.9(GDC)相，獲得了一維納米結(jié)構(gòu)的LSCF-GDC復(fù)合材料(9.2290m2g-1)，用其制備成LSCF-GDC陰極，其在650℃下對(duì)應(yīng)的極化電阻為2.07Ω cm2，明顯小于LSCF納米顆粒陰極的極化電阻數(shù)值，表明O2-離子傳導(dǎo)相GDC的加入提高了陰極的離子傳導(dǎo)率，增大了陰極反應(yīng)的三相界面，從而提高了電極的性能。 確立了一維納米結(jié)構(gòu)LSCF陰極骨架的快速燒結(jié)工藝，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較低極化電阻的一維納米棒、納米管和納米纖維LSCF陰極骨架�；贠2-離子傳導(dǎo)相GDC有利于擴(kuò)大電極三相界面的研究結(jié)果，通過在LSCF納米棒、納米管、納米纖維和納米顆粒骨架上浸漬GDC硝酸鹽溶液，制備了不同結(jié)構(gòu)的LSCF/GDC復(fù)合陰極，并確立了各LSCF/GDC復(fù)合陰極的最佳GDC浸漬量，其最佳LSCF/GDC質(zhì)量比分別為1:1、1:0.52、1:0.56和1:0.23。650℃時(shí)，各LSCF/GDC復(fù)合陰極的最小極化電阻分別為0.10、0.07、0.27和0.51Ω cm2。其中，一維納米棒和一維納米管結(jié)構(gòu)的LSCF/GDC復(fù)合陰極的極化電阻小于之前文獻(xiàn)的報(bào)道，表現(xiàn)出十分優(yōu)異的電化學(xué)性能。 進(jìn)一步研究了LSCF/GDC復(fù)合陰極的穩(wěn)定性。650℃時(shí)，用混合技術(shù)制備的納米顆粒狀LSCF-GDC復(fù)合陰極在100mA cm-2電流密度下極化120h，極化電阻從0.80Ω cm2增加到1.37Ω cm2；而浸漬法制備的納米顆粒LSCF/GDC復(fù)合陰極(LSCF/GDC質(zhì)量比1/0.23)的極化電阻由0.61Ω cm2增加到0.98Ω cm2。研究結(jié)果表明，浸漬GDC相能夠更好地減緩LSCF性能的衰減。進(jìn)一步對(duì)一維納米纖維和納米棒結(jié)構(gòu)的LSCF/GDC復(fù)合陰極的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示，具有較高GDC浸漬量的納米棒結(jié)構(gòu)的LSCF/GDC復(fù)合陰極（LSCF/GDC質(zhì)量比為1/1）表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。650℃時(shí)，此復(fù)合陰極在極化電流增至300mA cm-2時(shí)，極化144h，陰極極化電阻由0.097Ω cm2變?yōu)?.077Ω cm2。除此之外，此復(fù)合陰極經(jīng)過20次熱循環(huán)后，極化電阻由0.117變?yōu)?.111Ω cm2，表現(xiàn)出良好的抗熱沖擊能力。以上研究結(jié)果表明，浸漬的GDC包覆在LSCF骨架的表面，抑制了LSCF性能的衰減，浸漬的GDC量越多，陰極的穩(wěn)定性越好。由XRD測(cè)試得出，GDC的浸漬使LSCF晶面間距變小，確立了GDC相在LSCF表面施加了壓應(yīng)變，抑制了Sr的偏析，為控制LSCF/GDC復(fù)合陰極的衰減提供了新思路。 為了考察納米棒LSCF/GDC復(fù)合陰極在實(shí)際應(yīng)用中的可行性，采用電泳沉積技術(shù)將GDC電解質(zhì)層沉積到NiO-GDC陽極基體上，并成功將高性能納米棒結(jié)構(gòu)的LSCF/GDC復(fù)合陰極燒制到GDC電解質(zhì)層上，制備出陽極支撐的SOFC單電池。并通過單電池進(jìn)一步研究了LSCF/GDC復(fù)合陰極的實(shí)際可用性。研究結(jié)果表明，復(fù)合陰極在500mA cm-2的電流密度下，工作75h，其極化電阻由0.103Ωcm2變?yōu)?.095Ω cm2，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，該研究將為一維納米結(jié)構(gòu)的LSCF/GDC復(fù)合陰極的實(shí)際應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。
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【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM911.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2284835