双钙钛矿结构NdBaCo2O6-δ阴极材料的优化与高温电化学性质研究

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)由于其高效，无污染，不受卡诺循环限制的特点成为一种比较有前景的发电装置。而阴极作为固体氧化物燃料电池的关键组份，一直是科研人员研究的热点。本文以双钙钛矿结构的NdBaCo2O6-δ为研究对象，分别从电极材料的组成和电极的微观结构角度出发对其进行优化，并对其进行了详细的物理化学性质的表征及电化学性质研究。
　　本研究主要内容包括：⑴采用溶胶原位复合法制备了NdBaCo2O6-δ-xCe0.9Gd0.1O1.95(CGO)(x=0-10wt.％)复合阴极材料。NdBaCo2O6-δ与CGO在950℃具有良好的化学相容性，NdBaCo2O6-δ电极材料中复合CGO电解质材料显著提高了电极的催化性能，随着CGO复合量的增大，电极极化面电阻先减小后增大，NdBaCo2O6-δ-5CGO阴极在700℃下的极化电阻值最低仅为0.038Ω cm2，氧还原反应机理研究表明电极上氧还原反应的速率控制步骤为电荷转移过程。700℃时，单电池输出功率为0.354Wcm-2。⑵采用传统的高温固相法制备了Nd1-xBaCo2O6-δ(x=0，0.02，0.04，0.06)阴极材料并考察了阳离子缺位对材料电化学性能的影响。该系列阴极材料在1100℃与CGO电解质具有良好的高温化学相容性。随着阳离子缺位浓度的升高，电极材料的电导率逐渐降低，热膨胀系数逐渐升高。缺位材料的极化电阻较母体材料有了明显降低，Nd0.96BaCo2O6-δ材料的极化电阻最小，700℃时，Nd0.96BaCo2O6-δ的极化面电阻为0.043Ω cm2，比母体材料NdBaCo2O6-δ的极化电阻降低了约80％。在不同的温度和氧分压条件下探究电极上的氧还原反应(ORR)的反应机理，结果表明电极上氧还原反应的速率控制步骤为电荷转移过程。引入阳离子缺位并未改变ORR反应的速率控制步骤。极化测试结果表明，700℃时，当阴极过电位为-20mV时，Nd0.96BaCo2O6-δ电极的电流密度可达到-200 mA cm-2，该值远高于母体材料。用Nd096BaCo2O6-δ所制备的电解质支撑全电池的输出为0.334 W cm-2(700℃)。⑶在Nd0.96BaCo2O6-δ电极材料的基础上，采用聚苯乙烯(PS)微球为造孔剂对电极微观结构进行优化，分别考察了不同PS球直径大小和不同PS球用量对电极微观结构的影响及其对电极极化面电阻和电极上氧还原反应过程的影响。结果表明，电极的微观孔隙率随PS球加入量的增大而增大，采用PS做造孔剂制备的阴极极化面电阻均较未加PS球的阴极有明显降低，采用2.3μm PS球作为造孔剂的阴极极化面电阻最小，700℃时为0.0148Ω cm2。电极氧还原反应机理研究表明，引入PS球做造孔剂后明显改善了电极上氧扩散过程，阻抗谱中代表氧气体扩散过程的低频弧消失，加快了氧还原反应进程。阴极上ORR反应的速率控制步骤为电荷转移过程。700℃时，当阴极过电位为-25 mV时，电流密度可达到-200 mAcm-2远高于母体材料。用Nd0.96BaCo2O6-δ所制备的电解质支撑全电池的输出为0.436 W cm-2(700℃)，较未加PS造孔剂的Nd0.96BaCo2O6-δ单电池提高了约31％。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 燃料电池

1．1．1 燃料电池简介

1．1．2 燃料电池的分类

1．2 固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell)

1．2．1 固体氧化物燃料电池的工作原理

1．2．2 固体氧化物燃料电池各元件所需特性

1．3 固体氧化物燃料电池阴极材料

1．3．1 固体氧化物燃料电池阴极材料的反应机制

1．3．2 固体氧化物燃料电池阴极材料目前的研究进展

1．4 本论文选题依据

第2章 实验部分

2．1 实验试剂

2．2 主要实验仪器设备

2．3 材料的合成与电极的制备

2．3．1 阴极材料的合成

2．3．2 电极的制备

2．4 材料的表征与性能测试

2．4．1 X射线衍射(XRD)分析

2．4．2 碘量法滴定分析

2．4．3 X射线光电子能谱(XPS)分析

2．4．4 氧程序升温脱附(TPD)分析

2．4．5 电极的高温化学相容性

2．4．6 电极材料的微观形貌(SEM)测试

2．4．7 材料的热膨胀系数(TEC)测试

2．4．8 材料的电导率测试

2．4．9 电极材料的电化学表征与研究方法

第3章 NdBaCo2O6-δ/CGO复合阴极材料的合成与电化学性质研究

3．1 引言

3．2 NdBaCo2O6-δ-xCGO复合阴极材料的合成与性能

3．2．1 NdBaCO2O6-δ-xCGO复合阴极材料的制备

3．2．2 NdBaCO2O6-δ-xCGO复合阴极材料的高温化学相容性研究

3．2．3 NdBaCO2O6-δ-xCGO复合阴极的热膨胀性质研究

3．2．4 NdBaCO2O6-δ-xCGO复合阴极的电导率

3．2．5 NdBaCO2O6-δ-xCGO复合阴极的微观结构分析

3．2．6 NdBaCO2O6-δ-xCGO复合阴极的电化学性能与氧还原动力学研究

3．2．7 NdBaCO2O6-δ/CGO复合阴极的极化测试和全电池输出测试

3．3 本章小结

第4章 Nd1-xBaCo2O6-δ(x=0．00-0．08)阴极材料的合成与电化学性能研究

4．1 引言

4．2 Nd1-xBaCo2O6-δ阴极材料的合成与性能

4．2．1 Nd1-xBaCo2O6-δ阴极材料的合成

4．2．2 Nd1-xBaCo2O6-δ阴极材料的结构和物相分析

4．2．3 阴极材料Nd1-xBaCo2O6-δ的高温相容性

4．2．4 阴极材料Nd1-xBaCo2O6-δ的碘量滴定分析

4．2．5 阴极材料Nd1-xBaCo2O6-δ的热膨胀性质

4．2．6 阴极材料Nd1-xBaCo2O6-δ的电导率分析

4．2．7 阴极材料Nd1-xBaCo2O6-δ的XPS分析

4．2．8 阴极材料Nd1-xBaCo2O6-δ的微观结构

4．2．9 阴极材料Nd1-xBaCo2O6-δ的电化学性能

4．2．10 阴极材料NdBaCo2O6-δ和Nd0．96BaCo2O6-δ的氧还原动力学

4．2．11 阴极材料NdBaCo2O6-δ和Nd0．96BaCo2O6-δ的TPD分析

4．2．12 阴极材料NdBaCo2O6-δ和Nd0．96BaCo2O6-δ的极化测试与全电池输出测试

4．3 本章小结

第5章 三维多孔结构阴极材料Nd0．96BaCo2O6-δ的合成与电化学性能研究

5．1 引言

5．2 三维多孔阴极材料Nd0．96BaCo2O6-δ的制备与微观形貌表征

5．2．1 单分散PS微球的合成

5．2．2 三维多孔阴极材料Nd0．96BaCo2O6-δ的制备与微观结构分析

5．2．3 三维多孔阴极材料Nd0．96BaCo2O6-δ的电化学性能表征

5．2．4 三维多孔阴极材料Nd0．96BaCo2O6-δ的氧还原动力学研究

5．2．5 三维多孔阴极材料Nd0．96BaCo2O6-δ的极化测试和全电池输出测试

5．3 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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