CaBaCo2O5+δ固体氧化物阴极薄膜材料的微观结构的研究

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效环保的能源装置，实现中低温化是其主要研究方向，但中低温化过程中产生的以阴极材料过高的极化损失为主的一系列问题，严重影响了SOFC的性能，并制约了SOFC商业化发展。钙钛矿结构氧化物作为阴极材料具有良好的离子-电子导电性、氧催化活性和化学稳定性，同时成本低廉，备受人们的青睐。其中，由于双钙钛矿结构的AA'B2O5+δ氧化物阴极材料的层状氧空位分布结构提供了氧离子在阴极材料中快速传输的通道，有利于氧离子的扩散和氧的交换，同时在中低温下也具备较高的电导率，于是成为了极具前景的中低温SOFC阴极材料。
　　本论文选取钴基双钙钛矿结构SOFC阴极薄膜材料CaBaCo2O5+δ(CBCO)为研究对象，采用脉冲激光沉积方法在LaAlO3(LAO)上制备CBCO薄膜，采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对其进行的表征，更重要的是采用相关研究中使用极少的透射电子显微镜(TEM)作为研究材料的微观组织结构为主要表征手段，使用离子减薄法以及聚焦离子束法(FIB)成功制备用于观察的TEM样品。分析计算了CBCO薄膜的晶胞参数。观察了CBCO薄膜的表面形貌。观察分析了CBCO薄膜和LAO基体的微观组织结构以及薄膜材料与基体材料界面结合处的微观组织结构。主要得到以下结论:
　　(1)CBCO薄膜是由颗粒状构成的多孔的致密度和连通性较好的薄膜。
　　(2)CBCO薄膜是多晶膜，从紧邻LAO基体处开始，随着膜厚的增加，CBCO薄膜内晶粒尺寸由几个纳米逐渐变大到几十纳米。
　　(3)从LAO基体不同的取向上和不同区域上观察，CBCO薄膜与LAO基体不存在外延关系。LAO基体内部存在缺陷，CBCO薄膜和LAO基体交界处的LAO基体面在原子层面上是不平整的，存在原子层台阶。LAO基体的缺陷以及表面不均匀都会影响沉积的CBCO薄膜。
　　研究探讨了CBCO薄膜微观结构与其生长机制之间的的关系，对提高该材料的阴极性能提供了一定的理论及技术支持。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 燃料电池发展概况

1．1．1 燃料电池的历程

1．1．2 燃料电池的构造及工作原理

1．1．3 燃料电池的主要类型

1．2 固体氧化物燃料电池

1．2．1 SOFC的工作原理

1．2．2 组成SOFC材料的性能要求

1．3 SOFC阴极材料的研究进展

1．3．1 钙钛矿结构(ABO3)型氧化物

1．3．2 类钙钛矿A28O4+δ型氧化物

1．3．3 双钙钛矿AA’B2O5+δ型氧化物

1．4 薄膜衬底基体材料的特征

1．5 本论文研究的目的和内容

第2章 实验

2．1 薄膜样品的制备

2．2 薄膜样品的表征方法

2．2．1 X射线衍射分析

2．2．2 扫描电镜观察

2．2．3 透射电镜观察

第3章 CBCO薄膜材料TEM样品的制备

3．1 TEM样品制备方案的制定

3．2 TEM样品制备主要的实验用品和仪器

3．3 TEM样品制备过程

3．3．1 PVTEM样品制备

3．3．2 XTEM样品制备

3．3．3 聚焦离子束系统制备XTEM样品

3．4 本章小结

第4章 CBCO薄膜材料微观组织结构的研究

4．1 CBCO薄膜材料的物相分析

4．2 CBCO薄膜材料的表面形貌研究

4．3 CBCO薄膜材料的微观结构分析

4．4 本章小结

第5章 薄膜生长机理及减少薄膜缺陷方法的探讨

5．1 多晶薄膜生长理论

5．2 CBCO薄膜的生长机理分析

5．3 减少薄膜缺陷方法的探讨

5．3．1 引入缓冲层

5．3．2 优化退火工艺

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢