钙钛矿型固体氧化物燃料电池阴极材料的制备与第一性原理研究

摘要

近年来，由于环境污染造成的温室效应使各地气候变化剧烈，另外人们的环境意识不断提高，世界各国都在努力开发和推广零污染的供电应设备。固体燃料电池（SOFC）是能量转换率高，环境污染少的新型能源技术，引起了人们的广泛关注[1]。SOFC的关键部件有阳极、阴极和电解质材料以及连接体等。由于SOFC工作温度通常都在500℃-800℃温度范围内，在这样的高温条件下，对电池各部分材料的性能要求更加严格。为了满足电池正常运行的要求，则就需要对电池各部分材料的选择制备和结构反应机理进行更深入的研究。
　　钴酸镧（LaCoO3）作为近年来发展起来的钙钛矿阴极材料，尽管目前对其电子结构、缺陷、掺杂改性等方面进行了非常大量的研究，但其确切的菱方相晶体的电子结构、电学性能，热力学性质等相关研究还存在着一定分歧。本文实验合成了菱方相钙钛矿结构LaCoO3阴极材料，并利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法预测其宏观特性，从电子、原子尺度解释材料性能的变化，为发展钙钛矿型阴极材料做了一些基础性的研究工作，从而为新材料发现、设计和应用提供理论依据和实验基础。
　　本文工作主要围绕着开发设计与常用电解质材料热膨胀系数相匹配的阴极材料的目标开展。采用溶胶凝胶法合成了纯相LaCoO3以及B位过渡金属离子掺杂的LaCo0.5Fe0.5O3，LaCo0.5Ni0.5O3和LaCo0.5Mn0.5O3粉末样品。通过XRD、SEM对样品的结构和形貌进行表征。同时利用第一性原理计算的方法分别计算了纯相与掺杂体系的电子结构，声子色散谱，声子态密度，部分热力学性质等。
　　通过分析衍射数据可知样品的空间群均是R-3c。扫描电镜可以观察到掺杂体系的晶粒均小于纯相体系，且LaCoO3，LaCo0.5Fe0.5O3，LaCo0.5Ni0.5O3晶粒均具有规则几何外形，结晶性良好。在理论计算中，本文采用四种不同的交换关联泛函进行结构优化，通过计算结果与实验数据对比分析发现，对于LaCoO3体系，GGA的交换关联泛函更适用。本文计算了LaCoO3不同自旋状态下的电子结构，发现LaCoO3从低旋到高旋的转变过程中，LaCoO3从半导体向金属性转变。在计算声子色散谱的基础上，计算了LaCoO3的热容，熵，热膨胀系数等热力学性质，通过对比发现理论计算结果与实验数据相吻合。另外，计算的LaCoO3的平均热膨胀为20×10-6K-1显然大于常用电解质的热膨胀系数。
　　本文采用相同的计算方法研究了掺杂体系的电子结构，声子色散谱以及热膨胀系数。计算与实验结果发现，过渡金属掺杂能够显著降低LaCoO3的热膨胀系数，使其与常用电解质的热膨胀系数尽可能匹配。本文利用第一性原理的方法从电荷密度、电荷转移及键长、键能等角度解释了过渡金属掺杂对于材料热膨胀性能的影响。

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Content

1 绪论

1.1 引言

1.2 固体氧化物燃料电池概述

1.3 钙钛矿型阴极材料

1.4 钙钛矿材料的第一性原理研究

1.5 本论文的研究目的和研究内容

2.1 实验原料及仪器

2.2 实验方法

2.3 材料性能表征与测试

2.4 第一性原理计算方法

2.5 密度泛函理论

2.6 交换相关能量泛函

2.7 有限位移理论

2.8 准谐近似

2.9 VASP，Phonopy软件包的简单介绍

3 钙钛矿LaCoO3阴极材料的第一性原理计算

3.1 模型建立，参数设置与结构优化

3.2 电子结构计算和分析

3.3 声子色散谱计算和分析

3.4 热力学性质计算和分析

4 LaCo0.5X0.5O3(X=Co, Fe, Ni, Mn)合成与第一性原理计算

4.1 实验过程

4.2 热重分析

4.3 XRD结果分析

4.4 形貌分析

4.5 理论计算方法和计算模型

4.6 电子结构计算及分析

4.7 声子色散谱计算及分析

4.8 热膨胀系数计算及分析

5 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢