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(yáng)極時(shí)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(yáng)極材料。通過(guò)XRD、SEM、TEM等表征材料微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果表明Co摻雜量達(dá)到0.2時(shí),氫氣還原后的陽(yáng)極材料析出均勻分布的CuCo雙金屬納米顆粒。電導(dǎo)率測(cè)試表明CuCo雙金屬納米顆粒有效提高了材料的電導(dǎo)率。CO氛圍下的阻抗測(cè)試表明,析出CuCo雙金屬納米顆粒的Co0.2陽(yáng)極材料具有最小的極化阻抗,催化活性優(yōu)于其他陽(yáng)極材料,以其作為陽(yáng)極的電池在800℃和碳為燃料時(shí),最大功率密度可達(dá)591 mW·cm^-2,且具有良好的穩(wěn)定性,是一種優(yōu)異的DC-SOFC陽(yáng)極材料。 

【文章來(lái)源】：化工學(xué)報(bào). 2020,71(09)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

以Co0樣品為陽(yáng)極的電解質(zhì)支撐型全電池截面SEM圖像

為進(jìn)一步分析YST0.9-xCCox陽(yáng)極材料中各元素價(jià)態(tài)及含量，YST0.9-xCCox陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極材料中O 1s的XPS譜圖。所有陽(yáng)極材料在結(jié)合能約為529.6 eV和531.3 eV處，均出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)于晶格氧和吸附氧的譜峰[32]。并且吸附氧的峰強(qiáng)度隨著Co摻雜比例的增大而增大，在Co0.3時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大。根據(jù)Ti和O元素XPS譜圖中不同價(jià)態(tài)離子對(duì)應(yīng)的譜峰面積，可得到相應(yīng)價(jià)態(tài)離子在陽(yáng)極材料中所占的比值，計(jì)算結(jié)果列于表2�？梢钥闯觯m然Co0.1陽(yáng)極材料中具有最高的Ti3+含量，約為54.33%。但電導(dǎo)率測(cè)試表明，Co0.1陽(yáng)極材料的電導(dǎo)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(dǎo)率。而Co0.2陽(yáng)極材料的Ti3+含量高于Co0.3陽(yáng)極材料，因此Co0.2陽(yáng)極材料電導(dǎo)率高于Co0.3陽(yáng)極材料，這與電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果一致。如表2所示，陽(yáng)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(yáng)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(xué)反應(yīng)時(shí)所需要的活化能更低，能夠促進(jìn)碳和CO燃料的電化學(xué)氧化。因此，受電導(dǎo)率及吸附氧活性影響的Co0.2和Co0.3陽(yáng)極材料對(duì)陽(yáng)極燃料的催化活性還需通過(guò)電化學(xué)性能測(cè)試進(jìn)一步分析。2.5 電化學(xué)性能測(cè)試

在800℃及10%的CO氣氛中，對(duì)以YST0.9-xCCox樣品為陰陽(yáng)極和以LSGM為電解質(zhì)的對(duì)稱電池進(jìn)行電化學(xué)阻抗測(cè)試，阻抗譜圖如圖6(a）所示。為比較陽(yáng)極材料的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的催化活性，阻抗圖中去掉了由電解質(zhì)厚度和陽(yáng)極材料電阻所導(dǎo)致的歐姆阻抗RΩ，主要對(duì)比了兩個(gè)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(kuò)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(shí)，Co0、Co0.1、Co0.2和Co0.3陽(yáng)極材料的Rp分別為5.32、4.56、1.63和3.19Ω·cm2。Co0.2陽(yáng)極材料表現(xiàn)出最小的極化電阻，說(shuō)明其具有最優(yōu)的電催化活性。與Co0和Co0.1陽(yáng)極材料相比，Co0.2和Co0.3陽(yáng)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(yáng)極材料對(duì)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(yáng)極材料高頻極化阻抗RH逐漸減小，Co0.3陽(yáng)極材料RH值（0.31Ω·cm2）最小，而Co0.2陽(yáng)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(yáng)極材料中Co0.3具有最大吸附氧濃度，可促進(jìn)氧離子傳導(dǎo)，提高電化學(xué)反應(yīng)速率，獲得最小的RH值。而較快的電化學(xué)速率導(dǎo)致Co0.3陽(yáng)極材料上CO消耗速度快，與Co0.2陽(yáng)極材料相比會(huì)產(chǎn)生較大的濃差極化，因此Co0.3陽(yáng)極材料的低頻極化電阻RL較Co0.2大。整體而言，Co0.2陽(yáng)極材料具有最小的極化電阻，在作為電池的陽(yáng)極材料時(shí)將具有最好的電催化活性。通過(guò)弛豫時(shí)間分布函數(shù)（DRT）分別對(duì)各個(gè)陽(yáng)極材料在800℃時(shí)的交流阻抗作了進(jìn)一步分析，結(jié)果如圖6(b）所示。每個(gè)峰均代表了相應(yīng)的電極反應(yīng)，峰的位置越趨向于高頻，弛豫時(shí)間越短，表明該反應(yīng)的速率越快。每個(gè)峰的積分面積對(duì)應(yīng)于相應(yīng)電化學(xué)過(guò)程的阻抗值的大小�？梢钥闯�，在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，Co0陽(yáng)極材料的峰強(qiáng)度均大于其他陽(yáng)極材料，峰的位置也趨向于低頻，表明陽(yáng)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(yáng)極材料相比，Co0.1陽(yáng)極材料的峰強(qiáng)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(yáng)極材料來(lái)說(shuō)仍有差距。另外，與Co0.2陽(yáng)極材料相比，Co0.3陽(yáng)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(shí)間短，反應(yīng)速率快，RH值更小，但在整個(gè)頻率范圍內(nèi)的Co0.3陽(yáng)極材料的峰強(qiáng)度均高于Co0.2陽(yáng)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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