应用Pr0.3Sr0.7Ti0.3Fe0.7O3–δ阴极的固体氧化物电解池性能研究

摘要

固体氧化物电解池（SOEC）能够通过高温电化学反应将H2O和/或CO2电解，将电能和热能转化为燃料化学能，因其具有绿色、高效的优点而备受社会各界关注，是最具应用前景的能源转换技术之一。开发 SOEC各组件材料、优化单电解池及电解池堆组的制备技术和运行条件、推进 SOEC的商业化应用对于缓解目前严峻的环境污染和能源危机问题具有重要的意义。钙钛矿结构的铁酸锶（SrFeO3–δ）材料具有较高的离子-电子混合导电率和良好的催化性能，已在透氧膜、氧传感器和固体氧化物燃料电池（SOFC，为SOEC的逆过程）氧电极等方面得到广泛的研究。近年来，掺杂SrFeO3–δ作为SOEC阴极或SOFC阳极（统称为燃料电极）也表现出优异的电化学性能。本文对SrFeO3–δ进行Pr/Ti双掺杂，以Ti在B位的掺杂来稳定材料在强还原条件下的相结构，以P r在A位的掺杂来提高其催化活性，制备了Pr0.3Sr0.7Ti0.3Fe0.7O3–δ（PSTF）材料并开展了以其作为SOEC阴极的水和二氧化碳的电解效能、电解反应机理和运行稳定性的相关研究。
　　本研究主要内容包括：⑴利用传统固相反应法成功制备了单相立方钙钛矿结构的PSTF材料，对PSTF在空气和还原气氛处理情况下的相关性能进行对比，验证了其作为SOEC阴极的适用性，所评估的PSTF相关物理性能包括：制备样品和高温还原条件样品的物相结构、粉体形貌、阳离子价态和氧空位浓度、高温热稳定性、混合导电性等，结果表明 PSTF在 SOEC阴极应用的高温还原气氛条件下能够维持原有的物相结构，具有可接受的导电性能和良好的热稳定性，且还原条件导致材料阳离子价态降低，氧空位浓度增加，为H2O/CO2的吸附提供更多的活性位，有利于电解反应的进行。另测试了PSTF材料与常用电解质材料YSZ和SDC的化学相容性和热膨胀匹配性，确认了以其为阴极的电解池的制备和应用的前提条件。⑵结合粉体干压法和浆料涂覆方法分别制备了 YSZ电解质支撑的PSTF/SDC/YSZ/LSM-YSZ和 PSTF/YSZ/LSM-YSZ电解池，并分别将其应用进行纯 CO2电解、存在还原气体（H2）保护的 H2O电解和直接 H2O电解。各电解池运行模式下，以电解电压-电流密度（I-V）特性曲线分析了不同运行温度和原料气体供应浓度条件下的电解效能。温度分别为800、850、900℃电解池的PSTF阴极分别在60%H2O/H2/Ar、60%H2O/Ar或60%CO2/Ar气氛中进行电解，电压分别为1.5V、2.0V和2.0V时，电解电流密度分别达到302、934、656 mA cm–2。以电解池或 PSTF阴极阻抗的测试、拟合和分析，总结了一系列运行温度、原料气体供应浓度和阴极极化电流改变的情况下电解池各部分的电阻损失以及PSTF阴极电解反应速率控制步骤。在各模式下进行电解，PSTF阴极的电阻主要消耗在催化反应物的裂解、还原反应和反应物/生成物的解离吸附等方面。以恒流模式下电解池电压随时间的变化曲线评估了各运行模式电解池电化学性能的长期稳定性，有/无还原气体环境下的电解水运行20 h，电解池电化学性能的衰降均小于2.6%，且主要来自于LSM-YSZ电极与电解质的分层。直接CO2电解运行30 h，电解池性能无衰降。⑶与常用的LSCM基和 LSTO基 SOEC阴极材料在相近条件下电解 H2O或CO2的性能进行了详细比对，结果表明未进行复合和修饰的 PSTF阴极表现出良好的催化活性和较小的极化电阻。对比本文中，PSTF阴极在具有还原气体保护下的电解H2O性能和直接电解H2O性能，结果表明此阴极在两种模式下的电解效能、阴极电阻和长期稳定性等均相近，并未因为没有保护气而发生性能减退。以上研究充分证明，PSTF是一种具有潜力的 SOEC阴极材料，并且是可应用在无还原气体保护的直接电解H2O或CO2的阴极材料的候选者。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 固体氧化物电解池（SOEC）简介

1.3 SOEC的若干工作模式及其研究现状

1.4 SOEC的各组件材料研究进展

1.5 铁酸锶基氧化物作为SOEC阴极材料的探索

1.6 本论文的研究目的和内容

第2章 PSTF材料的制备及其基本物性研究

2.1 固相反应法制备PSTF材料

2.2 高温还原气氛条件对PSTF材料性能的影响

2.3 PSTF阴极与SOEC其它组件的匹配性研究

2.4 小结

第3章 PSTF阴极SOEC还原气氛下电解水性能研究

3.1 电解池的制备和测试系统的建立

3.2 氢气保护气模式下SOEC电解水效能研究

3.3 氢气保护下电解池PSTF阴极的阻抗变化

3.4 氢气保护模式电解水的电解池阻抗谱分析

3.5 小结

第4章 PSTF阴极SOEC直接电解水性能研究

4.1 电解池的制备和测试系统介绍

4.2 电解池直接电解水运行模式和反应原理

4.3 PSTF为阴极的SOEC直接电解水性能研究

4.4 PSTF为阴极的SOEC直接水蒸气电解的稳定性研究

4.5 小结

第5章 PSTF阴极SOEC直接电解二氧化碳性能研究

5.1 电解池制备和测试系统搭建

5.2 电解池电解二氧化碳反应原理

5.3 电解二氧化碳模式下PSTF阴极的电化学阻抗谱研究

5.4 电解二氧化碳模式下电解池的电化学性能研究

5.5 PSTF为阴极的电解池电解二氧化碳的稳定性研究

5.6 漏氧现象对电解池电解二氧化碳性能的影响

5.7 小结

结论

创新点

展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

个人简历