過(guò)渡金屬摻雜的CeO2基電解質(zhì)材料的制備與性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效、綠色、清潔的新一代能量轉(zhuǎn)換裝置，電解質(zhì)作為其核心部件是目前研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，SOFC的中溫化已成為一種發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)電解質(zhì)材料的選擇提出更高的要求。對(duì)于氧離子導(dǎo)體CeO2基電解質(zhì)而言，限制其應(yīng)用的一個(gè)重要因素是其致密溫度過(guò)高?；谟袌?bào)道證實(shí)稀土元素Nd、Sm雙摻雜CeO2的電導(dǎo)率要比單摻雜的高，而且過(guò)渡金屬氧化物可以作為燒結(jié)助劑使用。本文就以雙稀土元素?fù)诫s的CeO2為基底，探討少量過(guò)渡金屬的摻雜

2、對(duì)電解質(zhì)Nd0.1Sm0.1Ce0.8O1.9性能的影響。
　　本文采用檸檬酸-硝酸鹽法制備了粉體Nd0.1Sm0.1Ce0.8O1.9及添加了少量過(guò)渡金屬的Nd0.1Sm0.1Ce0.79M0.01O1.9-δ(M=Fe、Co、Ni、Zn)，采用X-射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、阿基米德排水法、電化學(xué)工作站、熱膨脹儀和直流電子負(fù)載等表征手段對(duì)材料的物相、微結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、電池性能等進(jìn)行表征。
　　XRD測(cè)試

3、結(jié)果顯示，檸檬酸-硝酸鹽法合成的初級(jí)粉體Nd0.1Sm0.1Ce0.8O1.9及Nd0.1Sm0.1 Ce0.79M0.01O1.9-δ(M=Fe、Co、Ni、Zn)經(jīng)700℃煅燒3h后呈現(xiàn)單一的立方螢石相，說(shuō)明Fe、Co、Ni、Zn的摻雜沒(méi)有改變Nd0.1 Sm0.1Ce0.8O1.9的相結(jié)構(gòu)。
　　稀土元素Nd、Sm共摻CeO2電解質(zhì)材料的制備與性能研究:隨著燒結(jié)溫度的升高，Sm0.1Nd0.1Ce0.8O1.9(SNDC)晶

4、粒尺寸增加，當(dāng)燒結(jié)溫度升高到1350℃時(shí)，斷面微結(jié)構(gòu)顯示樣品完全致密，此時(shí)電導(dǎo)率最高。100-1000℃的測(cè)試溫度范圍內(nèi)，SNDC樣品的TEC平均值為13.7×10-6 K-1，與SDC的非常接近。分別采用濕氫氣（約含3％的水）和靜態(tài)空氣作為燃料和氧化劑的單電池Ni-SNDC|SNDC|SBCO-SNDC，半電池共燒1350℃，測(cè)試溫度為650℃時(shí)開(kāi)路電壓只達(dá)到0.71 V，最大輸出功率密度達(dá)到372 mW/cm2，歐姆阻抗0.3Ω·c

5、m2。
　　過(guò)渡金屬Fe摻雜Ce0.8Sm0.1Nd0.1O1.9電解質(zhì)材料的制備與性能研究:1250℃燒結(jié)的SNDCFe樣品擁有最高的相對(duì)密度、最高的晶界電導(dǎo)率和較低的活化能;1250℃燒結(jié)的SNDCFe樣品擁有比1300℃燒結(jié)的SNDC樣品更高的晶粒、晶界電導(dǎo)率。100-1000℃的測(cè)試溫度范圍內(nèi)，SNDCFe樣品的平均熱膨脹系數(shù)為13.9×10-6 K-1，與SNDC的非常接近。采用濕氫氣（約含3％的水）和靜態(tài)空氣分別作為燃

6、料和氧化劑的單電池Ni-SNDC|SNDCFe|SBCO-SNDC，半電池共燒1250℃，測(cè)試溫度650℃時(shí)開(kāi)路電壓達(dá)到0.78 V，最大輸出功率密度達(dá)到458mW/cm2，歐姆阻抗有0.384Ω·cm2。預(yù)示著SNDCFe是中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)有潛力的電解質(zhì)材料。
　　過(guò)渡金屬Co摻雜Ce0.8Sm0.1Nd0.1O19電解質(zhì)材料的制備與性能研究:當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1100℃時(shí)，樣品擁有最高的相對(duì)密度、最高的晶界

7、電導(dǎo)率和較低的活化能;1100℃燒結(jié)的樣品SNDCCo的晶粒、晶界電導(dǎo)率與1300℃燒結(jié)的SNDC樣品的相近。100-1000℃的測(cè)試溫度范圍內(nèi)，SNDCCo樣品的平均熱膨脹系數(shù)為13.8×10-6 K-1，與SNDC的非常接近。采用濕氫氣（約含3％的水）和靜態(tài)空氣分別作為燃料和氧化劑的Ni-SNDC|SNDCCo|SBCO-SNDC單電池。半電池共燒1250℃，測(cè)試溫度650℃時(shí)開(kāi)路電壓達(dá)到0.78 V，最大輸出功率密度達(dá)到452mW

8、/cm2，歐姆阻抗只有0.276Ω·cm2。預(yù)示著SNDCCo是中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)有潛力的電解質(zhì)材料。
　　過(guò)渡金屬Ni摻雜Ce0.8Sm0.1Nd0.1O1.9電解質(zhì)材料的制備與性能研究:當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1200℃時(shí)，樣品擁有最高的相對(duì)密度、最高的晶界電導(dǎo)率;1200℃燒結(jié)的SNDCNi樣品擁有比1300℃燒結(jié)的SNDC樣品更高的晶界電導(dǎo)率。100-1000℃的測(cè)試溫度范圍內(nèi)，SNDCNi樣品的平均熱膨脹系數(shù)

9、為14.6×10-6K-1，與SNDC的非常接近。采用濕氫氣（約含3％的水）和靜態(tài)空氣分別作為燃料和氧化劑的單電池Ni-SNDC|SNDCNi|SBCO-SNDC，其半電池共燒1250℃，測(cè)試溫度650℃時(shí)開(kāi)路電壓達(dá)到0.78 V，最大輸出功率密度331 mW/cm2，歐姆阻抗高達(dá)0.402Ω·cm2。
　　過(guò)渡金屬Zn摻雜Ce0sSm0.1Nd0.1O1.9電解質(zhì)材料的制備與性能研究:當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1100℃時(shí)，樣品擁有最高的相

10、對(duì)密度、最高的晶界電導(dǎo)率和較低的活化能;1100℃燒結(jié)的SNDCZn樣品擁有比1300℃燒結(jié)的SNDC樣品更高的晶界電導(dǎo)率。100-1000℃的測(cè)試溫度范圍內(nèi)，SNDCZn樣品的平均熱膨脹系數(shù)為13.9×10-6 K-1，與SNDC的。以濕氫氣為燃料、靜態(tài)空氣為氧化劑的單電池Ni-SNDC|SNDCZn|SBCO-SNDC中半電池共燒1250℃，測(cè)試溫度650℃時(shí)開(kāi)路電壓達(dá)到0.75 V，最大輸出功率密度達(dá)到413 mW/cm2，歐姆阻