中溫固體氧化物燃料電池La-,1-x-Sr-,x-Co-,1-y-Fe-,y-O-,3-δ-陰極的制備及性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種直接把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。由于陰極上發(fā)生的氧還原反應(yīng)的活化能較高、電極反應(yīng)速率較慢，因此，在具有較薄電解質(zhì)的SOFC中，陰極的極化損耗是引起電池性能下降的主要原因。開發(fā)適合于中溫SOFC（IT-SOFC）且有較高催化性能的陰極材料是目前研究的熱點。
　　 具有離子和電子混合電導(dǎo)（MIEC）的La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ（LSCF），在中溫下具有良好的氧還原催化活性，

2、被認(rèn)為是最有潛力的IT-SOFC陰極材料。然而LSCF的熱膨脹系數(shù)高，與YSZ電解質(zhì)的高溫相容性差，為了避免高溫制備時在兩相間生成新相，需要一層摻雜的CeO2作為阻擋層。
　　 本文以LSCF為研究對象，圍繞下述幾個部分展開研究：初級粉體的制備工藝與制備原理、傳統(tǒng)LSCF陰極的優(yōu)化、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ+YSZ（LSCF+YSZ）納米復(fù)合陰極的制備與性能以及復(fù)合陰極的氧還原反應(yīng)動力學(xué)過程。從電極微觀結(jié)

3、構(gòu)優(yōu)化角度出發(fā)，制備了三種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合陰極加以對比，并詳細(xì)研究了電極的催化性能。主要研究結(jié)果包括：
　　 1)葡萄糖和丙烯酰胺是非常有效的助燃劑和絡(luò)合劑，它們的使用能夠降低燃燒的最高溫度和粉體的粒徑。在實驗范圍內(nèi)，葡萄糖：丙烯酰胺：Mn+的摩爾比為4：6：1，最優(yōu)焙燒溫度為700～800℃。
　　 2)三種復(fù)合電極的催化性能均優(yōu)于LSCF電極的性能，其中浸漬法制備的LSCF+YSZ納米結(jié)構(gòu)復(fù)合陰極的催化性能最優(yōu)，在

4、650和750℃時極化電阻分別為0.218 Ωcm2和0.047 Ωcm2。
　　 3)在600～75℃測試范圍內(nèi)，Pd+LSCF陰極的阻抗值在2.9至0.09 Wcm2之間，而GDC+LSCF復(fù)合陰極的阻抗值則在1.05到0.06 Wcm2之間。兩種納米結(jié)構(gòu)的陰極均有較低的過電勢。Pd+LSCF和GDC+LSCF納米結(jié)構(gòu)復(fù)合陰極通過PdOx和GDC納米粒子的引入，電極的三相反應(yīng)區(qū)域增加，LSCF電極的催化性能得到明顯改善。<

5、br>　　 4)LSCF+YSZ納米復(fù)合陰極的膨脹系數(shù)與YSZ骨架的膨脹系數(shù)接近。催化性能受電極微觀結(jié)構(gòu)的影響，隨著LSCF擔(dān)載量的增加或工作溫度的升高而逐漸增強(qiáng)。電極的阻抗譜用LR(QR)(QR)(X(RL))，(X=R、Q或O)等效電路擬合，得到較好的擬合結(jié)果。
　　 5)LSCF+YSZ納米復(fù)合陰極的穩(wěn)定性較差，電極顆粒在高溫和電流作用下發(fā)生了長大，電極的歐姆電阻和極化電阻均隨測試時間增長而逐漸增大。
　　

6、6)浸漬溶液中使用表面活性劑可以改變浸漬電極的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響電極的催化性能。
　　 7)納米復(fù)合陰極阻抗譜復(fù)平面第四象限出現(xiàn)的感抗弧主要與三種因素相關(guān)：①擔(dān)載量；②氧分壓；③陰極偏電壓或偏電流。感抗弧是由于電極表面吸附過多的氧原子或氧分子引起的。
　　 8)隨著LSCF擔(dān)載量的增大和工作溫度的升高，LSCF+YSZ納米復(fù)合電極的速率控制步驟從電極與電解質(zhì)的界面處逐漸轉(zhuǎn)移至電極的表面，電極反應(yīng)出現(xiàn)了從內(nèi)部向表面的