二硫化钼作为固体氧化物燃料电池阳极的制备和性能研究

摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、环保的新型能源转化技术，直接使用碳氢化合物燃料是其发展趋势之一，但传统的阳极材料Ni-YSZ（Y2O3稳定ZrO2）在含硫气氛中会被毒化，导致单电池性能的衰减。本文旨在减少或抑制阳极的硫中毒现象，提高阳极在碳氢化合物燃料中的综合性能，使得SOFC能够直接使用碳氢化合物燃料，从而降低SOFC的运行成本，推动其商业化进程。 研究表明采用硫化物作为SOFC阳极材料可以有效地抑制阳极的硫中毒现象。本文通过考察MoS2在高温下不同气氛中的物理化学性质，与不同体积分数的Ag复合作为SOFC阳极材料，测试了单电池在H2、250ppmH2S-H2中的电化学性能。得到以下结论： （1）MoS2材料的表征。MoS2粉体在高温下，普氮、高纯氩、100ppmH2-N2气氛中，会被氧化生成MoO2，提高煅烧温度加快粉体被氧化的速度；在500000ppm H2-N2、H2中会被还原生成Mo单质，增长煅烧时间Mo被还原的量增多；而在250ppmH2S-H2气氛中可以稳定存在，在保证其稳定存在的同时，对MoS2样品条在不同氢分压中进行电导率测试，结果表明：MoS2的电导率随着温度的升高而增大；随着氢分压的增加，电导率也略微增大，说明所测得的电导为电子电导，但可能存在一定的质子电导。 （2）YSZ电解质支撑型电池抗硫阳极材料的研究。通过干压法制备电解质片，(La0.8Sr0.2)0.98MnO3（LSM）-YSZ为阴极，MoS2、0.1Ag-MoS2、0.2Ag-MoS2分别为阳极制备了单电池，并进行了电化学性能测试。通过三电极法分别测试电极极化曲线，结果表明：随着温度的升高，电极的极化作用减小；相同电流密度下，添加Ag后，阳极的极化过电位有所减小，但仍然大于阴极的过电位，是影响单电池电化学性能的主要因素之一。在750℃，250ppmH2S-H2气氛下中，单电池0.2Ag-MoS2/YSZ/LSM-YSZ的最大功率密度为10.60mW cm-2，欧姆阻抗为3.2Ωcm2。在700℃，250ppmH2S-H2气氛中进行恒流放电测试，运行180min，其性能没有明显的衰减。 （3）Sc2O3稳定ZrO2（SSZ）电解质支撑型电池抗硫阳极材料的研究。改变电解质材料为SSZ，LSM-SSZ为阴极，与上述三种阳极制备的单电池进行电化学性能测试，在750℃，250ppmH2S-H2气氛中，单电池0.2Ag-MoS2/SSZ/LSM-SSZ的最大功率密度为39.56mWcm-2，欧姆阻抗为1.1Ωcm2，但阳极的极化过电位过大依旧是制约单电池电化学性能提升的重要因素之一。 通过本论文的研究，证实了MoS2作为SOFC抗硫阳极的可行性，但还需对阳极的微观结构进行优化，在保证抗硫中毒性能的同时，进一步提升电池的整体性能。

目录

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致谢

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2.1 固体氧化物燃料电池的基本原理

1.2.2 固体氧化物燃料电池的极化

1.2.3 固体氧化物燃料电池的优势及特点

1.3固体氧化物燃料电池关键材料

1.3.1电解质材料

1.3.2 阳极材料

1.3.3 阴极材料

1.4固体氧化物燃料电池的发展趋势

1.4.1 燃料电池中低温发展

1.4.2 燃料多样化

1.5本文的研究思路及主要内容

2材料的性能表征方法及电池测试方法

2.1实验仪器与试剂

2.2.1 X射线衍射分析

2.2.2 致密度

2.2.3 扫描电子显微镜分析

2.2.4 X射线光电子能谱分析

2.3.1 电导率测试

2.3.2 交流阻抗谱表征

2.3.3 电极极化测试

2.3.4 单电池测试

3 MoS2材料的表征

3.1 引言

3.2.1 粉体表征

3.2.2 MoS2样品条/片制备

3.3.1 XRD表征分析

3.3.2 XPS能谱分析

3.3.3 致密度分析

3.4 电导率测试

3.5 本章小结

4 YSZ电解质支撑型电池抗硫阳极材料的研究

4.1 引言

4.2.1 粉体表征

4.2.2 单电池制备

4.2.3 三电极法测试用单电池制备

4.3材料的表征

4.4单电池性能测试及表征

4.4.1 电极极化测试

4.4.2 单电池I-V、I-P曲线及EIS图谱

4.4.3 稳定性测试

4.4.4 测试后SEM分析

4.5 本章小结

5 SSZ电解质支撑型电池抗硫阳极材料的研究

5.1 引言

5.2.1粉体表征

5.2.2 单电池制备

5.2.3 三电极法测试用单电池制备

5.3材料的表征

5.4单电池性能测试及表征

5.4.1 电极极化测试

5.4.2 单电池I-V、I-P曲线及EIS图谱

5.4.3 稳定性测试

5.4.4 测试后SEM分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

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