Pr3+缺位Pr1-xBaCo2O5+δ固體氧化物燃料電池陰極材料的制備及性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一種高效、環(huán)保新型能源技術(shù)，將SOFC工作溫度由1000℃以上高溫降低至600～800℃中溫范圍是目前該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。中溫SOFC具有電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、電池制備與運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是，工作溫度的降低同時(shí)伴隨著電池組元材料性能下降問題，特別是，由于陰極氧還原反應(yīng)活化能較大，陰極的極化阻抗隨溫度降低顯著增大，從而導(dǎo)致SOFC內(nèi)損耗增大、輸出功率降低。

2、因此，開發(fā)中溫范圍內(nèi)(600～800℃)具有高電化學(xué)反應(yīng)活性的陰極材料，對(duì)于提高SOFC電池性能從而促進(jìn)其發(fā)展、應(yīng)用具有重要意義。
　　鈷基鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物具有良好的電子-離子混合電導(dǎo)率和較高的氧還原催化活性，是重要的中溫SOFC陰極候選材料。層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物PrBaCo2O5+δ在A位具有Pr3+和Ba2+兩種陽離子，A位陽離子缺位有助于提高氧化物的電化學(xué)活性。本工作利用溶膠-凝膠方法合成了A位Pr3+缺位PrBaCo2O5

3、+δ氧化物，Pr1-xBaCo2O5+δ(P1-xBCO，x=0.00-0.10)，并從相結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、電導(dǎo)率、電化學(xué)性能等方面對(duì)該系列材料作為中溫SOFC陰極材料進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，重點(diǎn)探討了Pr3+缺位量(x)對(duì)P1-xBCO氧化物晶體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、電導(dǎo)率以及電化學(xué)催化活性的影響規(guī)律與機(jī)制。
　　X射線衍射儀(XRD)研究結(jié)果表明，在Pr3+缺位量x=0.00-0.08范圍內(nèi)，P1-xBCO氧化物為正交晶系層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)純相，而

4、在高Pr3+缺位量(x=0.10)下，出現(xiàn)少量Co3O4雜相;因此，PBCO中Pr3+缺位量應(yīng)小于10％;并且，隨Pr3+缺位量增大，氧化物晶格參數(shù)沒有發(fā)生明顯變化。將P1-xBCO與Ce0.9Gd0.1O1.95(GDC)電解質(zhì)粉體以質(zhì)量比1∶1充分混合，在1050℃燒結(jié)10小時(shí)，然后用XRD表征，結(jié)果證明，P1-xBCO與GDC在1050℃高溫下沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具有高溫化學(xué)穩(wěn)定性;利用四電極方法測(cè)試了P1-xBCO在空氣中200-

5、800℃電導(dǎo)率，發(fā)現(xiàn)，所有樣品的電導(dǎo)率值在所測(cè)溫度范圍內(nèi)均大于200 s cm-1，滿足SOFC對(duì)陰極電導(dǎo)率要求;同時(shí)，隨Pr3+缺位量提高(x=0.00-0.05)，P1-xBCO的電導(dǎo)率逐漸減小，而在x=0.08高Pr3+缺位量下，電導(dǎo)率又有所提高，預(yù)示著P1-xBCO中不同的電荷補(bǔ)償方式;利用交流阻抗技術(shù)對(duì)P1-xBCO/GDC/P1-xBCO對(duì)稱電池進(jìn)行了測(cè)試，分析了P1-xBCO陰極的電化學(xué)反應(yīng)活性，結(jié)果表明，Pr3+缺位使P

6、1-xBCO陰極的電化學(xué)性能顯著提高，隨著Pr3+缺位量提高(x=0.00-0.05)，P1-xBCO陰極的比表面阻抗(ASR)顯著下降，而在x=0.08時(shí)，ASR稍有所增大。在所測(cè)樣品中，Pr3+缺位量為5％的P0.05BCO(x=0.05)氧化物具有最好的電化學(xué)性能，其ASR值為0.113Ωcm2(600℃)、0.054Ωcm2(650℃)、0.027Ωcm2(700℃)與0.016Ωcm2(750℃),與化學(xué)計(jì)量比PBCO(x=0