采用檸檬酸-硝酸鹽自蔓延燃燒法合成了LaFe_1-xCu_xO_3-δ（LFC）陰極粉體和Gd_0.1Ce_0.9O_2-δ（GDC）電解質(zhì)粉體,構(gòu)建了對(duì)稱固體氧化物燃料電池LFC/GDC/LFC。利用X射線衍射法（XRD）研究LFC材料的物相結(jié)構(gòu)以及與電解質(zhì)GDC的化學(xué)相容性,采用直流四端子法測(cè)試了陰極的電導(dǎo)率,采用交流阻抗法記錄界面極化行為,通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察對(duì)稱電池的斷面微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:合成的LFC粉體（x≤0.2）均呈現(xiàn)單一的鈣鈦礦結(jié)構(gòu),且與電解質(zhì)GDC在低于900℃具有良好的化學(xué)相容性;B位摻雜Cu元素能夠提高陰極材料的電導(dǎo)率,700℃左右在x=0.2時(shí)其電導(dǎo)率最大為104 S·cm^-1;極化阻抗隨著Cu²⁺摻雜量的增加而減小,x=0.2時(shí)在750℃空氣氣氛下的電極與電解質(zhì)間的極化阻抗R_p最小為0.237Ω·cm²。 

【文章來(lái)源】：中國(guó)陶瓷. 2020,56(03)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

LFC粉體在800℃煅燒10 h后的XRD譜和局部放大譜(b)LFC0.2和GDC混合粉體在900℃煅燒10 h后的XRD譜

LaFe1-xCuxO3-δ陰極材料在空氣條件下電導(dǎo)率(σ)隨溫度變化的曲線圖，如圖2(a)所示。從圖中看出，當(dāng)Cu2+摻雜量≤0.1時(shí)，樣品的電導(dǎo)率σ隨著測(cè)試溫度的升高而增大，呈現(xiàn)出p型半導(dǎo)體導(dǎo)電性能，歸因于熱活化的小極化子傳導(dǎo)機(jī)制的影響[14]。然而當(dāng)Cu2+摻雜量≥0.2時(shí)，材料的電導(dǎo)率隨著溫度的升高先增大后減小，表現(xiàn)為從p型半導(dǎo)體行為向金屬行為的轉(zhuǎn)變，這種現(xiàn)象可能是由于隨著溫度升高，材料中有大量的晶格氧逸出，從而在晶格中產(chǎn)生大量的氧離子空位，使得樣品中空穴濃度下降，電荷的補(bǔ)償由此轉(zhuǎn)變?yōu)橐匝蹼x子為主，導(dǎo)致載流子遷移率下降，使得體系的電導(dǎo)率逐漸下降。此外，從圖中看出，Cu2+摻雜量為0.2時(shí)，樣品的電導(dǎo)率在700℃左右達(dá)到最大值為104 S·cm-1，原因可能是因?yàn)闇囟葷M足了陰極材料氧交換開始產(chǎn)生的氧空位和小極化子競(jìng)爭(zhēng)，另外Cu2+的引入提高了材料的電導(dǎo)率可能歸結(jié)于載流子濃度的增加。Cu2+摻雜量高于0.2時(shí)，電導(dǎo)率下降，分析可能有以下兩方面的原因：一方面是由于產(chǎn)生了La2CuO4雜相阻礙了載流子的傳輸；另一方面在于B位用低價(jià)態(tài)Cu離子摻雜可能降低了Fe離子的氧化態(tài)，這表明了負(fù)電荷載流子濃度的降低。圖2(b)顯示了在測(cè)試溫度范圍內(nèi)陰極材料LaFe1-xCuxO3-δ電導(dǎo)率的Arrhenius曲線，由圖可知，Cu2+摻雜量為0.2時(shí)樣品的活化能最小為0.114 eV，這與電導(dǎo)率的結(jié)果相一致。并且從圖中看出ln(σT)與1000/T具有良好的線性關(guān)系，說(shuō)明符合小極化子躍遷機(jī)制，滿足Arrhenius關(guān)系式：式中，A為指前因子；T為絕對(duì)溫度(K);Ea為活化能(eV);R為氣體常數(shù)。

進(jìn)一步研究Cu2+摻雜量對(duì)LaFe1-xCuxO3-δ陰極材料的電化學(xué)性能的影響，圖3表示對(duì)稱電池LFC/GDC/LFC在750℃下的交流阻抗譜圖。電池的阻抗譜由一個(gè)半圓弧組成，在圓弧與橫坐標(biāo)的兩個(gè)交點(diǎn)中，高頻截距代表GDC的歐姆電阻(RO)，主要由電解質(zhì)引起；低頻截距代表對(duì)稱電池的總電阻R；兩交點(diǎn)之間的差值即為電極與電解質(zhì)的界面極化電阻(Rp)[15]。為了更直觀地判斷Rp與x的關(guān)系，將圖中扣除了由電解質(zhì)帶來(lái)的歐姆阻抗。利用ZSimpWin軟件對(duì)交流阻抗譜進(jìn)行擬合，相應(yīng)的等效電路圖如圖3所示，其中，L是電感，R0為GDC電解質(zhì)的歐姆電阻，QHF、QLF為常相位元件，RHF、RLF為極化電阻。QHFRHF代表電極的催化反應(yīng)過(guò)程，QLFRLF則是氣體的吸附與擴(kuò)散過(guò)程。由圖3可見，LFC的阻抗值Rp隨Cu2+摻雜量的增加而減小，當(dāng)x=0.2時(shí)極化阻抗最小為0.237Ω·cm2，表明Cu2+摻雜量為0.2時(shí)，材料具有良好的電催化活性，這一趨勢(shì)和Chen[16]的研究結(jié)果一致。Rp的減小可以歸因于一方面隨著Cu2+摻雜量的增加，材料的氧空位和電子電導(dǎo)率增大從而促進(jìn)氧還原過(guò)程；另一方面也可能Cu-O鍵鍵能較低，離子傳導(dǎo)活化能低，氧離子淌度增加。圖4 LFC0.2在空氣氣氛下不同溫度時(shí)的電化學(xué)阻抗譜

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]固體氧化物燃料電池陰極材料La0.7Sr0.3Fe0.7Co0.2Cu0.1O3-δ的制備與性能[J]. 吳亞楠,李松波,安勝利,李向國(guó).  中國(guó)陶瓷. 2018(02)
[2]新型復(fù)合陰極Sr0.95Ti0.05Co0.95O3-δ–Sm0.2Ce0.8O1.9在中低溫固體氧化物燃料電池中的性能[J]. 余良浩,王曉晴,林彬,田冬,盧肖永,顧慶文,陳永紅.  硅酸鹽學(xué)報(bào). 2015(07)

碩士論文
[1]中溫固體氧化物燃料電池Bi0.5Sr0.5FeO3-δ基陰極材料的電化學(xué)性能[D]. 高磊.黑龍江大學(xué) 2018
[2]固體氧化物燃料電池陰極材料BaFe0.8Cu0.2O3-δ與LaFe0.8Cu0.2O3-δ制備與性能研究[D]. 賈國(guó)強(qiáng).大連理工大學(xué) 2017



本文編號(hào)：3479584