研究了原位Cu析出和CuCo雙金屬析出的釔摻雜鈦酸鍶（YST）材料在作為直接碳燃料電池（DC-SOFCs）陽極時的結(jié)構(gòu)及性能。首先采用燃燒法制備系列Co摻雜的Y_0.08Sr_0.92Ti_0.9-xCu_0.1Co_xO_3-δ（x=0,0.1,0.2,0.3）陽極材料。通過XRD、SEM、TEM等表征材料微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果表明Co摻雜量達到0.2時,氫氣還原后的陽極材料析出均勻分布的CuCo雙金屬納米顆粒。電導率測試表明CuCo雙金屬納米顆粒有效提高了材料的電導率。CO氛圍下的阻抗測試表明,析出CuCo雙金屬納米顆粒的Co0.2陽極材料具有最小的極化阻抗,催化活性優(yōu)于其他陽極材料,以其作為陽極的電池在800℃和碳為燃料時,最大功率密度可達591 mW·cm^-2,且具有良好的穩(wěn)定性,是一種優(yōu)異的DC-SOFC陽極材料。 

【文章來源】：化工學報. 2020,71(09)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：12 頁

【部分圖文】：

以Co0樣品為陽極的電解質(zhì)支撐型全電池截面SEM圖像

為進一步分析YST0.9-xCCox陽極材料中各元素價態(tài)及含量，YST0.9-xCCox陽極材料在10%H2氛圍中800℃下還原5 h后的不同元素的XPS譜圖如圖5所示。圖5(a）為Ti 2p軌道離子的XPS譜圖，所有陽極材料在結(jié)合能約為458.4 eV和464.3 eV處，均出現(xiàn)了由Ti 2p3/2軌道電子和Ti 2p1/2軌道電子產(chǎn)生的譜峰，且由于Co元素的摻雜使得YST0.9-xCCox陽極材料中Ti元素的結(jié)合能隨著Co摻雜量的增加逐漸降低。圖5(b）是YST0.9-xCCox陽極材料中O 1s的XPS譜圖。所有陽極材料在結(jié)合能約為529.6 eV和531.3 eV處，均出現(xiàn)了對應于晶格氧和吸附氧的譜峰[32]。并且吸附氧的峰強度隨著Co摻雜比例的增大而增大，在Co0.3時強度達到最大。根據(jù)Ti和O元素XPS譜圖中不同價態(tài)離子對應的譜峰面積，可得到相應價態(tài)離子在陽極材料中所占的比值，計算結(jié)果列于表2�？梢钥闯觯m然Co0.1陽極材料中具有最高的Ti3+含量，約為54.33%。但電導率測試表明，Co0.1陽極材料的電導率小于Co0.2和Co0.3，表明還原氛圍中析出的Co納米顆粒有效提高了材料的電導率。而Co0.2陽極材料的Ti3+含量高于Co0.3陽極材料，因此Co0.2陽極材料電導率高于Co0.3陽極材料，這與電導率測試結(jié)果一致。如表2所示，陽極材料中吸附氧的含量隨著Co摻雜量的增大而增大，Co0.2和Co0.3陽極材料的吸附氧的含量分別為59.99%和63.17%。與晶格氧相比，吸附氧在與碳或CO發(fā)生化學反應時所需要的活化能更低，能夠促進碳和CO燃料的電化學氧化。因此，受電導率及吸附氧活性影響的Co0.2和Co0.3陽極材料對陽極燃料的催化活性還需通過電化學性能測試進一步分析。2.5 電化學性能測試

在800℃及10%的CO氣氛中，對以YST0.9-xCCox樣品為陰陽極和以LSGM為電解質(zhì)的對稱電池進行電化學阻抗測試，阻抗譜圖如圖6(a）所示。為比較陽極材料的電化學反應過程中的催化活性，阻抗圖中去掉了由電解質(zhì)厚度和陽極材料電阻所導致的歐姆阻抗RΩ，主要對比了兩個圓弧之間的橫軸截距代表的極化阻抗值Rp。Rp值等于高頻電阻RH與低頻電阻RL之和，其大小與表面離子交換和電荷轉(zhuǎn)移速率及氣體擴散的快慢有關(guān)，能夠反映出材料催化活性的優(yōu)劣。阻抗譜擬合后的結(jié)果（表3）顯示，800℃時，Co0、Co0.1、Co0.2和Co0.3陽極材料的Rp分別為5.32、4.56、1.63和3.19Ω·cm2。Co0.2陽極材料表現(xiàn)出最小的極化電阻，說明其具有最優(yōu)的電催化活性。與Co0和Co0.1陽極材料相比，Co0.2和Co0.3陽極材料的RH和RL均明顯減小，表明材料表面析出的CuCo雙金屬納米顆粒有效改善了陽極材料對CO的催化活性，減小了電極極化。根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知，隨Co含量增加，陽極材料高頻極化阻抗RH逐漸減小，Co0.3陽極材料RH值（0.31Ω·cm2）最小，而Co0.2陽極材料低頻極化電阻RL值（0.96Ω·cm2）最小。根據(jù)XPS結(jié)果分析，由于4種陽極材料中Co0.3具有最大吸附氧濃度，可促進氧離子傳導，提高電化學反應速率，獲得最小的RH值。而較快的電化學速率導致Co0.3陽極材料上CO消耗速度快，與Co0.2陽極材料相比會產(chǎn)生較大的濃差極化，因此Co0.3陽極材料的低頻極化電阻RL較Co0.2大。整體而言，Co0.2陽極材料具有最小的極化電阻，在作為電池的陽極材料時將具有最好的電催化活性。通過弛豫時間分布函數(shù)（DRT）分別對各個陽極材料在800℃時的交流阻抗作了進一步分析，結(jié)果如圖6(b）所示。每個峰均代表了相應的電極反應，峰的位置越趨向于高頻，弛豫時間越短，表明該反應的速率越快。每個峰的積分面積對應于相應電化學過程的阻抗值的大小�？梢钥闯觯谡麄�頻率范圍內(nèi)，Co0陽極材料的峰強度均大于其他陽極材料，峰的位置也趨向于低頻，表明陽極的極化阻抗值大、催化活性低，與表3中結(jié)果一致。與Co0陽極材料相比，Co0.1陽極材料的峰強度更低，峰位置也趨向于高頻，但相比于析出CuCo雙金屬納米顆粒的陽極材料來說仍有差距。另外，與Co0.2陽極材料相比，Co0.3陽極材料在高頻區(qū)內(nèi)的峰位置更趨向于高頻，表明其弛豫時間短，反應速率快，RH值更小，但在整個頻率范圍內(nèi)的Co0.3陽極材料的峰強度均高于Co0.2陽極材料，表明其具有更大的RL值，與表3的分析結(jié)果一致。


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