【摘要】：固體氧化物電解池(SOEC,Solid oxide electrolysis cell)是一種能量轉(zhuǎn)換裝置,通過SOEC可以將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。它將電能和熱能結(jié)合用于氣體的電化學(xué)還原,這一工作過程是固體氧化物燃料電池(SOFC,solid oxide fuel cell)工作的逆過程。本文著眼于探索固體氧化物電解池的陰極材料。人們將Ni-YSZ用作固體氧化物電解池的陰極來高溫電解氣體,它的電化學(xué)性能表現(xiàn)良好。但是Ni-YSZ電極容易被氧化導(dǎo)致性能降低。這限制了 Ni-YSZ陰極的應(yīng)用。而鈣鈦礦型氧化物(ABO3-δ)的離子電導(dǎo)混合電導(dǎo)性能表現(xiàn)良好,成本較低,本文聚焦于鐵酸鍶(SrFeO3O-δ)鈣鈦礦型氧化物作為SOEC陰極材料。本文使用固相合成法合成了 Sr0.9Fe0.9Zr0.1O3-δ、Sr1-xPrxFeO3--δ(x=0.02,0.04,0.06,0.08,0.10)和Sr0.95FeO3-δ三種類型的鐵酸鍶氧化物。使用XRD確定合成氧化物的物相結(jié)構(gòu),使用熱重研究其重量隨溫度的變化。并用掃描電子顯微鏡觀測鐵酸鍶氧化物的形貌結(jié)構(gòu)和電解單電池的橫截面形貌。測量了氧化物材料本身的電導(dǎo)率。然后將這些鐵酸鍶氧化物制成陰極漿料,考察了它的對稱電池極化電阻,電解單電池電解水蒸氣的極化電阻、電流-電壓曲線、短期性能等電化學(xué)性能。最后收集陰極端排除的尾氣,使用氣相色譜檢測產(chǎn)物氫氣含量,以此考察了電解單電池的氫氣產(chǎn)率和電流效率。實(shí)驗(yàn)表明,Sr0.9Fe0.9Zr0.1O3-δ、Sr0.96Pr0.04FeO3-δ和Sr0.95FeO3-δ于 800℃在5%H2/Ar時(shí)的電導(dǎo)率都大于1 S cm-1,這充分滿足了 SOEC陰極材料對電導(dǎo)率的要求。它們在氫分壓下的極化電阻都足夠小,純氫氣氛下極化電阻都可以達(dá)到0.3 Ω cm2以內(nèi)。將它們用作SOEC陰極材料電解水蒸氣時(shí),Sr0.9Fe0.9Zr0.1O3-δ的電流效率最高達(dá)到80%,Sr0.96Pr0.04FeO3-δ的電流效率最高為98%最低為95%,Sr0.95FeO3-δ的電流效率約為98%。這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)說明,將鐵酸鍶氧化物用作SOEC的陰極有利于改善性能,可用于電解水蒸氣。
【學(xué)位授予單位】：福建師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O614.232;TQ116.21;TM911.4
【圖文】：

將ＳＯＥＣ單電池密封安裝在陶瓷管的頂端，陰極向陶瓷管內(nèi)封裝，陽極暴露在逡逑空氣中。將封裝好的陶瓷管放置在高溫馬弗爐內(nèi)，使ＳＯＥＣ單電池正好位于高溫馬逡逑弗爐的正中間，以保持工作溫度準(zhǔn)確和穩(wěn)定。ＳＯＥＣ單電池測試示意圖見圖１．２。逡逑邐邐！邋＋逡逑Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋邐逡逑ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ逡逑Ｉ逡逑邐ｐ逡逑Ｇａｓ邋ｏｕｔｌｅｔ邋邐逡逑■丨，丨邐Ｇａｓ邋ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ逡逑Ｇａｓ邋ｉｎｔａｋｅ逡逑—＝￣ｘ逡逑圖１．２邋ＳＯＥＣ單電池測試示意圖逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ＳＯＥＣ邋Ｓｉｎｇｌｅ邋Ｃｅｌｌ邋ｔｅｓｔ逡逑馬弗爐溫度保持在工作溫度８００邋°Ｃ之后，先向陶瓷管內(nèi)部通入５％Ｈ２／Ａｒ排盡逡逑陰極端的空氣，然后再通入純氫，將陰極還原。電解時(shí)向陰極通入水蒸氣逡逑（５％Ｈ２０／５％Ｈ２／Ａｒ或５％Ｈ２０／Ａｒ），流速為５０邋ｍＬ邋ｍｉｎ－１。然后進(jìn)行電解測試，主要逡逑考察ＳＯＥＣ單電池的電流－電壓（丨－Ｖ）曲線、交流阻抗譜、短期性能等電學(xué)性能。逡逑收集陰極端排出的氣體，通入氣相色譜儀中，分析產(chǎn)物氫氣的產(chǎn)量。結(jié)合電流密度逡逑可以算出ＳＯＥＣ電解水蒸氣制氫的產(chǎn)率和電流效率。逡逑－１９－逡逑

ｒｅｄｕｃｅｄ邋ＳＦＺＯ．邋Ｔｈｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋（ｃ）邋ｃｕｂｉｃ邋ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ邋ａｎｄ邋（ｄ）邋ｏｒｔｈｏｒｈｏｍｂｉｃ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，逡逑（ｗｈｅｒｅ邋Ａ邋ｉｓ邋Ｓｒ，邋ｇｒｅｅｎ；邋Ｂ邋ｉｓ邋Ｆｅ／Ｚｒ，邋ｙｅｌｌｏｗ；邋ａｎｄ邋Ｏ邋ｉｓ邋ｏｘｙｇｅｎ，邋ｒｅｄ）逡逑圖２．２邋（ａ）顯示了空氣氣氛下，溫度范圍為３２０－１０００邋°Ｃ的還原態(tài)ＳＦＺＯ的熱逡逑重曲線。在３２０－４７６邋°Ｃ溫度范圍內(nèi)，有一段增重，這可能是由于Ｆｅ３＋被氧化到更高逡逑的價(jià)態(tài)（Ｆｅ４＋），并且伴隨著氧離子數(shù)增加，平均每化學(xué)式增加０．１５６邋ｍｏ丨氧離逡逑子數(shù)。在４７６－１０００邋°Ｃ溫度范圍內(nèi)，有失重發(fā)生，這可能是由于晶格氧缺失導(dǎo)致部逡逑分Ｆｅ４ｉ轉(zhuǎn)變成了邋Ｆｅ３＋

Ｆｉｇ邋２．２邋（ａ）邋ＴＧＡ邋ｔｅｓｔｓ邋ｏｆ邋ｒｅｄｕｃｅｄ邋ＳＦＺＯ邋ｆｒｏｍ邋３２０邋ｔｏ邋１０００邋°Ｃ邋ｉｎ邋ａｉｒ；邋（ｂ）邋ＴＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ逡逑ｒｅｄｕｃｅｄ邋ＳＦＺＯ邋ｓａｍｐｌｅ．逡逑圖２．３邋（ａ）和（ｂ）分別顯示的是氧化態(tài)和還原態(tài)的ＳＦＺＯ樣品的鐵離子ＸＰＳ逡逑圖譜。ＸＰＳ譜圖使用Ｓｈｉｒｌｅｙ背景扣除法擬合，不同元素的不同光譜的背景函數(shù)使用逡逑８０％高斯函數(shù)和２０％洛倫茲函數(shù)進(jìn)行擬合邐。ＸＰＳ峰的所有信息都來自Ｔｈｅｒｍｏ逡逑Ｆｉｓｈｅｒ邋Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ邋數(shù)據(jù)庫。如圖邋２．３邋（ａ）所示，結(jié)合能為邋７０９．９邋ｅＶ邋（Ｆｅ邋２ｐ３／２）和邋７２２．７８逡逑ｅＶ邋（Ｆｅ邋２ｐｌ／２）的峰對應(yīng)的是邋Ｆｅ２＋離子。結(jié)合能為邋７１０．４邋ｅＶ邋（Ｆｅ邋２ｐ３／２）和邋７２３．５邋ｅＶ邋（Ｆｅ逡逑２ｐｌ／２）的峰對應(yīng)的是Ｆｅ２＋和Ｆｅ３＋之間的一種混合價(jià)態(tài)。結(jié)合能為７１１．４邋ｅＶ邋（Ｆｅ邋２ｐ３／２）逡逑和７２５．０８邋ｅＶ（Ｆｅ２ｐｌ／２）的峰對應(yīng)的是Ｆｅ４＋離子。如圖２．３邋（ｂ）所示，還原態(tài)ＳＦＺＯ逡逑樣品中邋７１４．７０邋ｅＶ、７１邋ｌ＿８８ｅＶ、７２８．０８邋ｅＶ邋和邋７２４．８８邋ｅＶ邋處的峰分別對應(yīng)邋Ｆｅ２＋（２ｐ３／２）、逡逑Ｆｅ３＋（２ｐ３／２）、Ｆｅ２＋（２ｐｌ／２）和Ｆｅ３＋（２ｐｌ／２）。根據(jù)擬合結(jié)果可知，還原態(tài)ＳＦＺＯ樣品中逡逑Ｆｅ＞和Ｆｅ３＋的比例約為２．１。此外，氧化態(tài)和還原態(tài)之間Ｆｅ的結(jié)合能有些許變化，逡逑這可能是由于Ｆｅ４＋被還原至Ｆｅ３＋導(dǎo)致的邐。逡逑－２３－逡逑

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 金克強(qiáng);黃剛;徐波;張立紅;;基于鐵電陰極材料離子源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J];機(jī)械研究與應(yīng)用;2013年02期

2 徐紅梅;;中低溫固體氧化物燃料電池陰極材料研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2012年13期

3 邵宗平;;中低溫固體氧化物燃料電池陰極材料[J];化學(xué)進(jìn)展;2011年Z1期

4 周洪英;;日立開發(fā)出新型長壽命鋰電陰極材料[J];功能材料信息;2010年02期

5 吳萬祥,陳愛娣;釷一鎢陰極材料碳化工藝研究[J];應(yīng)用科技;2002年05期

6 金開生,王忠,張國棟;離子交換膜電解槽活性陰極材料的研究概況[J];礦冶;2001年03期

7 王發(fā)展;張暉;丁秉鈞;;鎢陰極材料及其研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2001年06期

8 ;鋰離子電池陰極材料尖晶石結(jié)構(gòu)Li_(1+x)Mn_(2-x)O_4的研究[J];電化學(xué);1998年04期

9 謝原壽,柳全豐;水溶液電解新陰極材料Ni-Co-S-Mo合金的研究[J];電化學(xué);1998年04期

10 夏定國，魏秋明，朱時(shí)珍，劉慶國;高溫固體氧化物燃料電池中的陰極材料[J];中國稀土學(xué)報(bào);1994年03期

相關(guān)會議論文 前10條

1 袁曉佳;紀(jì)巖龍;張華;;La_2Ni_(1-x)Zn_xO_(4+δ)的性能研究[A];2015中國硅酸鹽學(xué)會固態(tài)離子學(xué)分會理事會議暨第三屆全國固態(tài)離子學(xué)青年學(xué)術(shù)交流會論文摘要集[C];2015年

2 朱營莉;晁榕珠;郭春梅;孔繁鑫;陳進(jìn)富;;電芬頓陰極材料的制備及其產(chǎn)H_2O_2的性能研究[A];《環(huán)境工程》2019年全國學(xué)術(shù)年會論文集（中冊）[C];2019年

3 翟鵬;馮憲平;衛(wèi)子健;;氮摻雜石墨烯陰極材料在染料敏化太陽能電池上的應(yīng)用（英文）[A];第四屆新型太陽能電池學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2017年

4 劉孝娟;孟君玲;袁娜;姚傳剛;孟健;;高性能固體氧化物燃料電池陰極材料設(shè)計(jì)的新自由度:陽離子有序度[A];第十三屆固態(tài)化學(xué)與無機(jī)合成學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2014年

5 張文強(qiáng);于波;徐景明;;摻雜CeO_2高溫共電解陰極材料的制備與電性能研究[A];第十七屆全國高技術(shù)陶瓷學(xué)術(shù)年會摘要集[C];2012年

6 樊星;許興燕;夏長榮;孟廣耀;;溶膠-凝膠法制備固體氧化物燃料電池陰極材料[A];全國第三屆溶膠—凝膠科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2004年

7 俞小花;謝剛;呂霖;王達(dá)健;李榮興;李永剛;;氧化鋁凝膠-硼化鈦陰極材料的電性能研究[A];第九屆真空冶金與表面工程學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2009年

8 劉效疆;陸瑞生;宋文斌;;長壽命熱電池技術(shù)[A];中國工程物理研究院科技年報(bào)（2000）[C];2000年

9 劉佳;王鑫;馮玉杰;;微生物電化學(xué)系統(tǒng)中新型空氣陰極材料及效能評價(jià)[A];第六屆全國環(huán)境化學(xué)大會暨環(huán)境科學(xué)儀器與分析儀器展覽會摘要集[C];2011年

10 劉偉;馬玉民;黃漢年;;陰極電子發(fā)射材料高壓測試系統(tǒng)[A];中國電子學(xué)會真空電子學(xué)分會第二十一屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];2018年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 ;看鎳與電池密不可分的關(guān)系[N];中國有色金屬報(bào);2017年

2 本報(bào)駐美國記者 毛黎;巧用病毒制電池[N];科技日報(bào);2009年

3 記者 魏雙林;我國電解鋁陰極材料生產(chǎn)技術(shù)有新突破[N];中國冶金報(bào);2004年

4 本報(bào)記者 陸雙平 張燎原;“世界鈧王”科學(xué)發(fā)展“十一五”[N];中國有色金屬報(bào);2006年

5 紀(jì)濤　高校記者站記者 劉冰;中國強(qiáng)勢資源稀土鉬 終可取代百年釷鎢[N];北京日報(bào);2005年

6 羅曄;韓國慶尚北道大力發(fā)展碳素產(chǎn)業(yè)[N];中國有色金屬報(bào);2016年

7 林琳;“冀炭”科技創(chuàng)新挑戰(zhàn)買方市場[N];中國有色金屬報(bào);2002年

8 魏雙林;跳起來，才能摘到好果子[N];中國有色金屬報(bào);2004年

9 錢宇;京杭大運(yùn)河的驛站[N];中華建筑報(bào);2014年

10 楊裕生;“電極”與“電池”存儲的能量別混淆[N];科技日報(bào);2008年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 劉清;聚合物太陽能電池的新型陰極界面材料研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

2 李金霞;新型有機(jī)二硫聚合物作鋰二次電池陰極材料的基礎(chǔ)研究[D];武漢大學(xué);2004年

3 黃端平;層狀結(jié)構(gòu)La_2NiO_（4+δ）體系混合導(dǎo)體的化學(xué)合成、結(jié)構(gòu)與性能研究[D];武漢理工大學(xué);2006年

4 張?zhí)m;凝膠注模工藝在中溫固體氧化物燃料電池制備過程中的應(yīng)用研究[D];山東大學(xué);2007年

5 呂洪;中溫固體氧化物燃料電池新型陽極及陰極材料研究[D];上海交通大學(xué);2007年

6 李強(qiáng);類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的性能研究[D];哈爾濱理工大學(xué);2007年

7 孫雪麗;低溫固體氧化物燃料電池陰極材料制備及其性能研究[D];大連海事大學(xué);2007年

8 付大偉;堿土與過渡金屬摻雜的雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陰極材料及其性能[D];吉林大學(xué);2016年

9 呂世權(quán);中溫固體氧化物燃料電池鈷基陰極材料的性能研究[D];吉林大學(xué);2011年

10 馬文會;固體氧化物燃料電池復(fù)合摻雜陰極材料的研究[D];昆明理工大學(xué);2001年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 趙媛媛;摻雜的鈷基陰極材料的制備及性能分析[D];內(nèi)蒙古大學(xué);2019年

2 李哲;鈣鈦礦鐵酸鍶電極的缺陷調(diào)控和電解水蒸氣研究[D];福建師范大學(xué);2018年

3 原婷婷;O_2還原生物陰極-電催處化膜反應(yīng)器對難降解有機(jī)物的去除[D];天津工業(yè)大學(xué);2019年

4 胡雪艷;MS（M=Cu，Mo）摻雜SnO_2陰極材料的制備及光電催化還原CO_2[D];太原理工大學(xué);2019年

5 劉晶晶;高性能質(zhì)子導(dǎo)體基固體氧化物燃料電池新型陰極材料及其電化學(xué)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

6 薛振宇;黃金濕法冶金用Ag-Ti雙金屬陰極材料的制備與應(yīng)用[D];西安理工大學(xué);2019年

7 祁晨;陰極菌群對MFC脫氮動力學(xué)影響研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2018年

8 秦龍;中溫固體氧化物燃料電池陰極材料BaCo_(1-x-y)Nb_xZr_yO_(3-δ)的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

9 任昊曄;鋁電解廢舊陰極中碳和電解質(zhì)的分離及回收利用[D];蘭州交通大學(xué);2018年

10 韓星;基于光譜診斷的無熱子空心陰極啟動過程研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

本文編號：2762707