中温固体氧化物燃料电池掺杂CeO基电解质的制备和性能研究

摘要

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、清洁的能源转换装置。该领域的研究趋向是追求操作温度中温化，以克服传统高温SOFC(操作温度约1000℃左右)的种种技术和材料问题，并进一步提高性能和降低制造成本。实现中温化主要有两条途径：一是寻找在中温时具有高的氧离子电导率的新型电解质，主要集中在具有立方萤石结构的掺杂CeO2材料上；另一种是将电解质薄膜化。迄今，大量文献报道了关于掺杂CeO2基电解质的研究，然而就其理论解释仍然存在很多不足之处。本论文立足于掺杂CeO2基电解质的研究，试图从电解质的掺杂离子浓度、制备方法、化学组成、氧空位浓度和形貌等多角度考察影响电解质电导性能的因素。主要工作成果归纳如下： 1、掺杂离子浓度对CeO2基电解质电导性能的影响 采用溶胶-凝胶法合成Ce1-xSmxO2-δ(x=0，0.1，0.2)系列固体电解质。通过XRD、Raman、SEM和交流阻抗技术系统研究掺杂离子浓度对电解质导电性能的影响。研究结果表明，Ce0.9Sm0.1O2-δ和Ce0.8Sm0.2O2-δ电解质的相对密度和晶粒大小都十分接近。较多Sm3+的掺入能促使样品形成更多的氧空位，更有利于O2-的传递，从而使得Ce0.8Sm0.2O2-δ的电导性能高于Ce0.9Sm0.1O2-δ样品。 2、不同热处理方法对CeO2基电解质电导性能的影响 采用两种不同热处理的柠檬酸溶胶-凝胶法制备Ce0.8Sm0.2O2-δ电解质。结果显示在N2热处理制备样品的过程中，由于碳包裹在前躯体的周围阻碍了粒子的增长，因而通过这种热处理方法能制备出粒子大小在10 nm以内的样品。同时这些超细纳米粒子在烧结初期能形成较大的成核晶粒，最后形成高致密度和较大晶粒的电解质。研究结果表明即使在相同氧空位浓度条件下，通过N2热处理制备的电解质由于其高致密度和大晶粒使得其电导性能得到了极大的提高。 3、双掺杂对CeO2基电解质电导性能的影响 采用柠檬酸溶胶-凝胶法制备Ce0.8Sm0.1Nd0.1O2-δ、Ce0.8Sm0.2O2-δ和Ce0.8N0.2O2-δ电解质。运用XRD、SEM、原位Raman和交流阻抗技术来考察双掺杂对电解质导电性能的影响。SEM结果显示Ce0.8N0.2O2-δ和Ce0.8Sm0.1Nd0.1O2-δ电解质的晶粒大于Ce0.8Sm0.2O2-δ的晶粒。原位Raman结果表明，双掺杂样品Ce0.8Sm0.1Nd0.1O2-δ的氧空位浓度最高，Ce0.8N0.2O2-δ的氧空位浓度其次，Ce0.8Sm0.2O2-δ的最少。样品的电导性能不仅与形貌有关而且也与氧空位浓度有着密切的关系。Ce0.8Sm0.1Nd0.1O2-δ电解质由于具有大晶粒和高氧空位浓度从而表现出较好的电导性能。 4、助烧结剂对CeO2基电解质的性能影响 采用溶胶-凝胶法制备了掺杂Co3O4的Ce0.8Sm0.2O2-δ粉末，考察了少量Co3O4掺杂对电解质烧结性能和电导性能的影响。结果发现，通过少量Co3O4掺杂的电解质，其烧结活性明显提高，同时在1200℃就可烧结致密，比未掺杂的Ce0.8Sm0.2O2-δ电解质烧结温度降低300℃左右。同时Ce0.8Sm0.1Co0.1O2-δ的电导性能也得到了明显的提高。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2燃料电池的发展

1.3固体氧化物燃料电池概述

1.3.1固体氧化物燃料电池的工作原理及其特点

1.3.2固体氧化物燃料电池的关键材料

1.3.3固体氧化物燃料电池的研究意义和研究现状

1.4 CeO2基电解质

1.4.1 CeO2基电解质的晶体结构

1.4.2 CeO2基电解质材料的研究

1.5选题依据及研究内容

1.5.1选题依据

1.5.2研究内容

第二章 CeO2基电解质的制备及表征

2.1样品的制备

2.1.1化学试剂

2.1.2 CeO2基电解质的制备

2.2样品表征

2.2.1 X-射线粉末衍射分析(XRD)

2.2.2激光拉曼光谱分析(Raman)

2.2.3扫描电子显微分析(SEM)

2.2.4 CeO2电解质的导电性能测试

第三章 掺杂离子浓度对CeO2基电解质性能的影响

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1 Ce1-xSmxO2-δ电解质的制备

3.2.2样品的表征

3.3结果与讨论

3.3.1 XRD表征结果

3.3.2 Raman表征结果

3.3.3交流阻抗测试结果

3.4结论

第四章 不同热处理方法对CeO2基电解质导电性能的影响

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1样品的制备

4.2.2样品的表征

4.3结果与讨论

4.3.1 XRD表征结果

4.3.2 SEM表征结果

4.3.3 Raman表征结果

4.3.3交流阻抗测试结果

4.4结论

第五章 双掺杂CeO2基电解质的性能研究

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1电解质的制备

5.2.2样品的表征

5.3结果和讨论

5.3.1.XRD表征结果

5.3.2 SEM表征结果

5.3.3 Raman表征结果

5.3.4交流阻抗测试结果

5.4结论

第六章 助烧结剂对CeO2基电解质的性能影响

6.1引言

6.2实验部分

6.2.1电解质的制备

6.2.2样品的表征

6.3结果与讨论

6.3.1 XRD表征结果

6.3.2 SEM表征结果

6.3.3 Raman表征结果

6.3.4交流阻抗测试结果

6.4结论

参考文献

作者简介、撰写和发表的文章目录

致谢