氧化鈰基電解質(zhì)材料的制備和性能研究
發(fā)布時間：2021-04-16 23:06
為了開發(fā)新型中溫固體氧化物燃料電池（SOFC）電解質(zhì)材料,采用甘氨酸燃燒法制備Ce0.8La0.03Sm0.15Ca0.02O2-δ（CLSC）電解質(zhì).CLSC電解質(zhì)粉末經(jīng)800℃燒結(jié)10 h后已成純相,為立方螢石結(jié)構(gòu);對壓制成片的電解質(zhì)進(jìn)行1 400℃的高溫?zé)Y(jié)后仍為立方螢石結(jié)構(gòu),沒有產(chǎn)生其他雜相,較為致密;CLSC電解質(zhì)的氧離子電導(dǎo)率在800℃時達(dá)到0.07 S·cm-1;在800℃的測試溫度下,以CLSC為電解質(zhì)的單電池獲得較高的功率密度(388 mW·cm-2)和開路電壓（0.800 V）.以上研究結(jié)果表明,CLSC氧化物可以作為中溫SOFC電解質(zhì)的候選材料.
【文章來源】：吉林師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2020,41(04)
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
CLSC經(jīng)800 ℃燒結(jié)2 h的XRD譜圖
圖4是經(jīng)1 400 ℃燒結(jié)10 h后的CLSC電解質(zhì)的斷面微觀形貌圖,插圖是CLSC的EDS譜圖.從掃描電鏡圖中可以看到,合成的電解質(zhì)片較為致密,同時分布著少量的密閉氣孔.這表明Ca2+具有助燒結(jié)作用,可以對電解質(zhì)粉體的燒結(jié)性能產(chǎn)生積極作用,有助于增加電解質(zhì)片的致密性.從相對應(yīng)的EDS譜圖中可以發(fā)現(xiàn)La、Sm、Ce、Ca元素的存在,由于CLSC中Ca2+濃度較小,因此只觀測到較小的Ca元素的EDS峰值.在EDS譜圖中還發(fā)現(xiàn)了Au的譜線,這主要是由于電解質(zhì)材料的電子導(dǎo)電性差,因此在測試之前對電解質(zhì)片的表面進(jìn)行了噴金處理,所以才會出現(xiàn)Au元素的峰.圖5是以CLSC為電解質(zhì)的半電子的阻抗譜圖,其中Rg代表晶粒阻抗,Rb代表晶界阻抗.隨著測試溫度的升高,阻抗明顯降低,這主要是由于在較高的溫度下,載流子的能量越高則更容易越過勢壘,載流子遷移幾率的增加可以增強電解質(zhì)的氧離子傳導(dǎo),可以獲得更小的阻抗.在低溫范圍內(nèi),可以看到在高頻處阻抗譜呈現(xiàn)為半圓的一部分,在低頻處呈現(xiàn)為一條射線.高頻處的半圓與x軸的交點代表電解質(zhì)的晶粒阻抗和晶界阻抗之和(Rb+Rg).而低頻的射線代表電解質(zhì)與電極之間的界面電阻.在低溫段,由于界面電阻太大,其呈現(xiàn)為一條射線,隨著測試溫度的升高,射線逐漸下沉而呈現(xiàn)為一個半圓,說明電傳導(dǎo)過程在高溫段由電解質(zhì)和電極的界面過程控制.通過阻抗可以計算出材料的電導(dǎo)率,如圖6所示.CLSC在800 ℃的氧離子電導(dǎo)率為0.07 S·cm-1,顯著高于目前普遍采用的SDC,其電導(dǎo)率值在0.01 S·cm-1左右,這主要是由于共摻雜可以得到更多的氧空位數(shù)量,因此可以獲得較高的離子電導(dǎo)率.最后,我們對CLSC的電導(dǎo)率進(jìn)行了Arrhenius擬合,并計算出活化能,如圖7所示,其活化能為0.794 eV.
圖5是以CLSC為電解質(zhì)的半電子的阻抗譜圖,其中Rg代表晶粒阻抗,Rb代表晶界阻抗.隨著測試溫度的升高,阻抗明顯降低,這主要是由于在較高的溫度下,載流子的能量越高則更容易越過勢壘,載流子遷移幾率的增加可以增強電解質(zhì)的氧離子傳導(dǎo),可以獲得更小的阻抗.在低溫范圍內(nèi),可以看到在高頻處阻抗譜呈現(xiàn)為半圓的一部分,在低頻處呈現(xiàn)為一條射線.高頻處的半圓與x軸的交點代表電解質(zhì)的晶粒阻抗和晶界阻抗之和(Rb+Rg).而低頻的射線代表電解質(zhì)與電極之間的界面電阻.在低溫段,由于界面電阻太大,其呈現(xiàn)為一條射線,隨著測試溫度的升高,射線逐漸下沉而呈現(xiàn)為一個半圓,說明電傳導(dǎo)過程在高溫段由電解質(zhì)和電極的界面過程控制.通過阻抗可以計算出材料的電導(dǎo)率,如圖6所示.CLSC在800 ℃的氧離子電導(dǎo)率為0.07 S·cm-1,顯著高于目前普遍采用的SDC,其電導(dǎo)率值在0.01 S·cm-1左右,這主要是由于共摻雜可以得到更多的氧空位數(shù)量,因此可以獲得較高的離子電導(dǎo)率.最后,我們對CLSC的電導(dǎo)率進(jìn)行了Arrhenius擬合,并計算出活化能,如圖7所示,其活化能為0.794 eV.圖6 CLSC電解質(zhì)的電導(dǎo)率隨溫度變化曲線
本文編號：3142333
【文章來源】：吉林師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2020,41(04)
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【部分圖文】：
CLSC經(jīng)800 ℃燒結(jié)2 h的XRD譜圖
圖4是經(jīng)1 400 ℃燒結(jié)10 h后的CLSC電解質(zhì)的斷面微觀形貌圖,插圖是CLSC的EDS譜圖.從掃描電鏡圖中可以看到,合成的電解質(zhì)片較為致密,同時分布著少量的密閉氣孔.這表明Ca2+具有助燒結(jié)作用,可以對電解質(zhì)粉體的燒結(jié)性能產(chǎn)生積極作用,有助于增加電解質(zhì)片的致密性.從相對應(yīng)的EDS譜圖中可以發(fā)現(xiàn)La、Sm、Ce、Ca元素的存在,由于CLSC中Ca2+濃度較小,因此只觀測到較小的Ca元素的EDS峰值.在EDS譜圖中還發(fā)現(xiàn)了Au的譜線,這主要是由于電解質(zhì)材料的電子導(dǎo)電性差,因此在測試之前對電解質(zhì)片的表面進(jìn)行了噴金處理,所以才會出現(xiàn)Au元素的峰.圖5是以CLSC為電解質(zhì)的半電子的阻抗譜圖,其中Rg代表晶粒阻抗,Rb代表晶界阻抗.隨著測試溫度的升高,阻抗明顯降低,這主要是由于在較高的溫度下,載流子的能量越高則更容易越過勢壘,載流子遷移幾率的增加可以增強電解質(zhì)的氧離子傳導(dǎo),可以獲得更小的阻抗.在低溫范圍內(nèi),可以看到在高頻處阻抗譜呈現(xiàn)為半圓的一部分,在低頻處呈現(xiàn)為一條射線.高頻處的半圓與x軸的交點代表電解質(zhì)的晶粒阻抗和晶界阻抗之和(Rb+Rg).而低頻的射線代表電解質(zhì)與電極之間的界面電阻.在低溫段,由于界面電阻太大,其呈現(xiàn)為一條射線,隨著測試溫度的升高,射線逐漸下沉而呈現(xiàn)為一個半圓,說明電傳導(dǎo)過程在高溫段由電解質(zhì)和電極的界面過程控制.通過阻抗可以計算出材料的電導(dǎo)率,如圖6所示.CLSC在800 ℃的氧離子電導(dǎo)率為0.07 S·cm-1,顯著高于目前普遍采用的SDC,其電導(dǎo)率值在0.01 S·cm-1左右,這主要是由于共摻雜可以得到更多的氧空位數(shù)量,因此可以獲得較高的離子電導(dǎo)率.最后,我們對CLSC的電導(dǎo)率進(jìn)行了Arrhenius擬合,并計算出活化能,如圖7所示,其活化能為0.794 eV.
圖5是以CLSC為電解質(zhì)的半電子的阻抗譜圖,其中Rg代表晶粒阻抗,Rb代表晶界阻抗.隨著測試溫度的升高,阻抗明顯降低,這主要是由于在較高的溫度下,載流子的能量越高則更容易越過勢壘,載流子遷移幾率的增加可以增強電解質(zhì)的氧離子傳導(dǎo),可以獲得更小的阻抗.在低溫范圍內(nèi),可以看到在高頻處阻抗譜呈現(xiàn)為半圓的一部分,在低頻處呈現(xiàn)為一條射線.高頻處的半圓與x軸的交點代表電解質(zhì)的晶粒阻抗和晶界阻抗之和(Rb+Rg).而低頻的射線代表電解質(zhì)與電極之間的界面電阻.在低溫段,由于界面電阻太大,其呈現(xiàn)為一條射線,隨著測試溫度的升高,射線逐漸下沉而呈現(xiàn)為一個半圓,說明電傳導(dǎo)過程在高溫段由電解質(zhì)和電極的界面過程控制.通過阻抗可以計算出材料的電導(dǎo)率,如圖6所示.CLSC在800 ℃的氧離子電導(dǎo)率為0.07 S·cm-1,顯著高于目前普遍采用的SDC,其電導(dǎo)率值在0.01 S·cm-1左右,這主要是由于共摻雜可以得到更多的氧空位數(shù)量,因此可以獲得較高的離子電導(dǎo)率.最后,我們對CLSC的電導(dǎo)率進(jìn)行了Arrhenius擬合,并計算出活化能,如圖7所示,其活化能為0.794 eV.圖6 CLSC電解質(zhì)的電導(dǎo)率隨溫度變化曲線
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