發(fā)布時間：2022-01-07 20:25

　　固體氧化物燃料電池（SOFCs）作為一種綠色和高效的能量轉(zhuǎn)換裝置,具有很大的社會意義。但是目前SOFCs商業(yè)化進程較為緩慢,其主要原因是電極（尤其是陰極）的極化阻抗過大阻礙了電學(xué)性能的提升,尤其是低溫下極化電阻的問題更為突出。本論文基于第一性原理計算,在原子尺度上同時研究了Sr3Fe2O7陰極在O-SOFCs和P-SOFCs中的還原反應(yīng)過程和機制,確定反應(yīng)速控步驟,并為SOFCs開發(fā)有效的氧化物陰極材料提供理論指導(dǎo)。本論文主要研究結(jié)果如下:第一章,綜述了 SOFCs的相關(guān)理論,并介紹了理論計算的基本概念。首先介紹了常用的陽極、電解質(zhì)、陰極材料的研究狀況;然后詳細(xì)地從實驗和計算的角度闡述了 O-SOFCs和P-SOFCs兩種工作模式下還原反應(yīng)機理;接著簡單介紹了本文所用計算手段的理論依據(jù)與基本概念;最后介紹了本文的研究內(nèi)容。第二章,利用第一原理方法,系統(tǒng)地研究了 R-P結(jié)構(gòu)的Sr3Fe2O7（SFO）陰極表面上還原反應(yīng)過程,并選取鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的La0.5Sr0.5Co0.25Fe0.75O3（LSCF）作為對比,探討不同晶體結(jié)構(gòu)對表面反應(yīng)的影響。實驗結(jié)果表明,與LSCF相比,Sr3Fe2O... 

【文章來源】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：56 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖１．１電導(dǎo)率與Ｎｉ的體積含量關(guān)系［６］??２??

和?Ｋ２ＮｉＦ４?類型的?Ｒ－Ｐ?（Ｒｕｄｄｌｅｓｄｅｎ－Ｐｏｐｐｅｒ）結(jié)構(gòu)。??（１）鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陰極材料??鈣鈦礦晶格是立方結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)通式為ＡＢ〇３，其結(jié)構(gòu)如圖１．２所示。半徑大??的Ａ位離子和０形成立方密堆結(jié)構(gòu)，半徑小的Ｂ位離子進入氧八面體空隙中。??各離子的大小應(yīng)該滿足如下關(guān)系。??ｒＡ?＋ｒ０＝ｙ／２（ｒＢ?＋ｒＱ）?（１．２）??Ａ位離子一般是堿土金屬（如Ｌａ、Ｓｒ等），Ｂ位離子一般是過渡金屬（如??Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ等）。由于過渡金屬有八配位結(jié)構(gòu)，配位結(jié)構(gòu)的對稱性能夠讓鈣鈦??礦結(jié)構(gòu)形成導(dǎo)體性或半導(dǎo)體性的能帶結(jié)構(gòu)，從而增加電子電導(dǎo)。另外通過Ａ位??或Ｂ位摻雜也能提高氧離子電導(dǎo)或質(zhì)子電導(dǎo)，如在Ｌｎ３＋位摻雜ＳＦ＋可以形成氧空??位從而產(chǎn)生氧離子電導(dǎo)。??Ｑ〇Ｊ｜ｊＰ〇??◎翁？◎〇??圖１．２鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖??在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，ＬａｘＳｎ＿ｘＭｎ〇３?（ＬＳＭ）是科研中受到關(guān)注最多的材料［２１］。??ＬＳＭ是由Ｓｒ元素?fù)诫sＬａＭｎ０３后形成，Ｌａ〇．７Ｓｒ〇．３Ｍｎ〇３在１０００°Ｃ左右是為立方結(jié)??構(gòu)晶體。通過Ｓｒ＾取代Ｌａ３＋或者通過Ｓｒ＾對Ｍｎ３＋的還原均可產(chǎn)生氧空位

（２）層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陰極材料??最近層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的ＬｎＢａＣｏ２０６－５?（Ｌｎ代表Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，?Ｓｍ，?Ｅｕ，?Ｇｄ，??Ｙ等）材料逐漸走入人們的視線，如圖１．３所示，這種材料可以視為ＡＢ０３與Ａ’Ｂ０３??的有序循環(huán)，其中Ａ位被Ｌｎ３＋和Ｂａ２＋交替占據(jù)。理論上這種占據(jù)方法可以極大??的提升氧擴散速率［２５］，如ＧｄＢａＣ〇２〇６－ｓ?（ＧＢＣＯ）材料［２６］在５７５°Ｃ下的氧表面??交換系數(shù)為氧擴散系數(shù)為４．８ｘ１０－１０?ｃｍＹ１，另外ＧＢＣＯ在與電??解質(zhì)燒結(jié)后極化阻抗為０．２５?Ｑ?ｃｍ２?（ＧＤＣ，?５７５°Ｃ）。但ＧＢＣＯ的穩(wěn)定性較差，??其與ＹＳＺ在低溫下也會反應(yīng)，因此雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的陰極材料往往與電解質(zhì)材料??共燒結(jié)成復(fù)相陰極，從而增強穩(wěn)定性。??０■參０??圖１．３雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)示意圖??６??

【參考文獻】：
期刊論文
[1]固體氧化物燃料電池的發(fā)展與研究[J]. 馮登滿,劉暢,楊苗苗,國書瑀,劉洋,韓飛.  科技展望. 2016(05)

博士論文
[1]LSF基SOFC鈣鈦礦陰極性能的研究[D]. 李梅.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2017



本文編號：3575214