雙鈣鈦礦結構NdBaCo2O6-δ陰極材料的優(yōu)化與高溫電化學性質(zhì)研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)由于其高效，無污染，不受卡諾循環(huán)限制的特點成為一種比較有前景的發(fā)電裝置。而陰極作為固體氧化物燃料電池的關鍵組份，一直是科研人員研究的熱點。本文以雙鈣鈦礦結構的NdBaCo2O6-δ為研究對象，分別從電極材料的組成和電極的微觀結構角度出發(fā)對其進行優(yōu)化，并對其進行了詳細的物理化學性質(zhì)的表征及電化學性質(zhì)研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴采用溶膠原位復合法制備了NdBaCo2O6-δ-xCe0.9Gd0.1O

2、1.95(CGO)(x=0-10wt.％)復合陰極材料。NdBaCo2O6-δ與CGO在950℃具有良好的化學相容性，NdBaCo2O6-δ電極材料中復合CGO電解質(zhì)材料顯著提高了電極的催化性能，隨著CGO復合量的增大，電極極化面電阻先減小后增大，NdBaCo2O6-δ-5CGO陰極在700℃下的極化電阻值最低僅為0.038Ω cm2，氧還原反應機理研究表明電極上氧還原反應的速率控制步驟為電荷轉移過程。700℃時，單電池輸出功率為0.3

3、54Wcm-2。⑵采用傳統(tǒng)的高溫固相法制備了Nd1-xBaCo2O6-δ(x=0，0.02，0.04，0.06)陰極材料并考察了陽離子缺位對材料電化學性能的影響。該系列陰極材料在1100℃與CGO電解質(zhì)具有良好的高溫化學相容性。隨著陽離子缺位濃度的升高，電極材料的電導率逐漸降低，熱膨脹系數(shù)逐漸升高。缺位材料的極化電阻較母體材料有了明顯降低，Nd0.96BaCo2O6-δ材料的極化電阻最小，700℃時，Nd0.96BaCo2O6-δ的極化

4、面電阻為0.043Ω cm2，比母體材料NdBaCo2O6-δ的極化電阻降低了約80％。在不同的溫度和氧分壓條件下探究電極上的氧還原反應(ORR)的反應機理，結果表明電極上氧還原反應的速率控制步驟為電荷轉移過程。引入陽離子缺位并未改變ORR反應的速率控制步驟。極化測試結果表明，700℃時，當陰極過電位為-20mV時，Nd0.96BaCo2O6-δ電極的電流密度可達到-200 mA cm-2，該值遠高于母體材料。用Nd096BaCo2O6

5、-δ所制備的電解質(zhì)支撐全電池的輸出為0.334 W cm-2(700℃)。⑶在Nd0.96BaCo2O6-δ電極材料的基礎上，采用聚苯乙烯(PS)微球為造孔劑對電極微觀結構進行優(yōu)化，分別考察了不同PS球直徑大小和不同PS球用量對電極微觀結構的影響及其對電極極化面電阻和電極上氧還原反應過程的影響。結果表明，電極的微觀孔隙率隨PS球加入量的增大而增大，采用PS做造孔劑制備的陰極極化面電阻均較未加PS球的陰極有明顯降低，采用2.3μm PS球

6、作為造孔劑的陰極極化面電阻最小，700℃時為0.0148Ω cm2。電極氧還原反應機理研究表明，引入PS球做造孔劑后明顯改善了電極上氧擴散過程，阻抗譜中代表氧氣體擴散過程的低頻弧消失，加快了氧還原反應進程。陰極上ORR反應的速率控制步驟為電荷轉移過程。700℃時，當陰極過電位為-25 mV時，電流密度可達到-200 mAcm-2遠高于母體材料。用Nd0.96BaCo2O6-δ所制備的電解質(zhì)支撐全電池的輸出為0.436 W cm-2(70