论文摘要
固体氧化物燃料电池（SOFC）由于具有能量转换率高、燃料可选范围广、不需用贵金属催化剂以及全固态结构带来的操作方便等优点而被认为是一种很有发展前途的燃料电池。目前,降低操作温度,开发中低温（500～800oC）固体氧化物燃料电池成为SOFC发展方向。但操作温度降低,电极的极化损失增加,因此开发中低温高性能电极材料具有重要意义。A2BO4型复合氧化物具有合适的热膨胀系数,能较好地与CGO、LSGM等中温SOFC的电解质材料相匹配,在600～800 oC的中温范围内具有比LSCF体系更优良的氧表面交换性能和氧离子迁移能力,很有希望成为中温SOFC的新型阴极材料。本论文采用甘氨酸-硝酸盐法合成了A2BO4型Cu系复合氧化物Ln2-xCexCuO4（Ln=La,Nd,Sm）阴极材料。利用XRD对其物相及热化学稳定性进行了表征。结果表明Ce在La2CuO4中的最大固溶度低于3%,而在Nd2CuO4和Sm2CuO4中的最大固溶度为20%。Ln2-xCexCuO4与电解质材料CGO在1100 oC空气气氛下进行混合烧结,未生成杂相,表现出良好的化学稳定性。考察了电极烧结温度对电极的微观结构和电化学性能的影响,发现在1000oC空气中烧结得到的电极与CGO电解质可形成良好的接触界面,电极表面形成均匀的多孔结构,粒子之间相互连接紧密。Ce4+离子的掺杂提高材料的电导率,Nd2-xCexCuO4和Sm2-xCexCuO4材料在中温区（500～750 oC）空气气氛下的电导率均超过60 S/cm。对阴极极化性能的研究结果表明,Sm2-xCexCuO4体系具有较高的阴极催化活性。其中当Ce掺杂量为0.2时,电极Sm1.8Ce0.2CuO4的极化电阻最小,750oC的极化电阻为0.37Ω.cm2。利用在不同氧分压条件下测试阴极的电化学性能来研究电极反应的动力学过程,从而确定电极反应速率控制步骤。由不同温度下极化电阻与氧分压的关系发现,Sm1.8Ce0.2CuO4电极反应主要存在三个过程,氧离子从TPB界面向电解质的转移过程、电极上发生的电荷转移过程以及氧的解离与吸附过程,其中电极反应速率控制步骤为电极上发生的电荷转移反应。在Cu系阴极材料中选择性能最好的Sm1.8Ce0.2CuO4（SCC）材料,进行了SCC-CGO和SCC-Ag复合阴极性能的研究,以期进一步提高阴极性能。系统地考察了CGO和Ag复合量对电极电化学性能的影响。结果表明,CGO含量为5%的复合电极性能最好,750oC的极化电阻为0.17Ω.cm2。CGO的掺入有效地改善了电极和电解质的结合程度,降低了界面极化电阻。同时,阴极极化现象也得到了较大改善,750oC时,极化过电位为30 mV时的电流密度约为150 mA.cm-2。Ag的加入同样提高了电极的电化学性能,当Ag掺杂量为5%时,电极极化电阻最小。空气中750oC测试得到复合电极的极化电阻约为0.18Ω.cm2。本文进一步制备并研究了Mn系A2BO4型阴极材料的电化学性能,考察了材料组成对其电化学性能的影响。结果表明,该材料在1100oC空气中与CGO电解质具有良好的化学相容性。A位阳离子缺位型Mn系氧化物具有较好的阴极性能。Sr1.5La0.35MnO4阴极在750 oC的极化电阻最小,为0.25Ω. cm2,这一数值与A位整比型的Sr2-xLaxMnO4阴极材料相比有了较大的降低。电极反应机理研究表明,在不同的温度和氧分压下,电极反应有着不同的速率控制步骤。
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中文摘要Abstract第1章 绪论1.1 燃料电池简介1.1.1 燃料电池的发展1.1.2 燃料电池的定义1.1.3 燃料电池的优点1.1.4 燃料电池存在的问题1.2 固体氧化物燃料电池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的优越性1.2.3 固体氧化物燃料电池的国内外研究开发现状1.2.4 固体氧化物燃料电池材料的选择1.3 阴极材料研究进展3 型阴极材料'>1.3.1 ABO3型阴极材料2BO4 型阴极材料'>1.3.2 A2BO4型阴极材料1.3.3 复合阴极材料1.4 阴极氧还原反应动力学1.5 本论文研究的内容和意义第2章 实验部分2.1 实验原料2.2 实验仪器与设备2.3 材料的合成与电极的制备2.3.1 电极材料的合成2.3.2 电极的制备2.4 材料的表征方法与性能测试2.4.1 物相及结构表征2.4.2 热膨胀性能测试2.4.3 电化学测试2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）阴极材料的制备与电化学性能研究'>第3章 Ln2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）阴极材料的制备与电化学性能研究3.1 引言2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）阴极材料的制备'>3.2 Ln2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）阴极材料的制备2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）阴极材料的表征与性能测试'>3.3 Ln2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）阴极材料的表征与性能测试2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）材料的物相表征'>3.3.1 Ln2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）材料的物相表征2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）材料的化学相容性'>3.3.2 Ln2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）材料的化学相容性2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）材料的电导率'>3.3.3 Ln2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）材料的电导率2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）材料的热膨胀性能'>3.3.4 Ln2-xCexCuO4（Ln＝La, Nd, Sm）材料的热膨胀性能3.3.5 电极的烧结特性与微观结构3.3.6 Ce 掺杂量和稀土元素种类对电极电化学性能的影响3.3.7 阴极氧还原反应机理3.3.8 电极的极化性能3.4 本章小结1.8Ce0.2CuO4复合阴极材料的制备与电化学性能研究'>第4章 Sm1.8Ce0.2CuO4复合阴极材料的制备与电化学性能研究4.1 引言4.2 复合电极的制备4.2.1 SCC-CGO 复合电极的制备4.2.2 SCC-Ag 复合电极的制备4.3 SCC-CGO 复合电极的表征与性能研究4.3.1 材料的化学相容性4.3.2 SCC-CGO 电极的烧结特性与微观形貌4.3.3 SCC-CG005 复合电极的阻抗谱4.3.4 CGO 含量对电极性能的影响4.3.5 SCC-CGO 复合阴极氧还原反应机理4.3.6 SCC-CGO 复合电极的极化性能4.4 SCC-Ag 复合电极的表征与性能测试4.4.1 材料的化学相容性4.4.2 SCC-Ag 复合电极的微观结构4.4.3 Ag 添加量对复合阴极电化学性能的影响4.4.4 SCC-Ag 复合电极的阻抗谱4.4.5 SCC-Ag 阴极氧还原反应机理4.4.6 SCC-Ag 阴极的极化性能4.5 本章小结2-xLaxMnO4（x=0.4,0.5,0.6）阴极材料的制备与电化学性能研究'>第5章 Sr2-xLaxMnO4（x=0.4,0.5,0.6）阴极材料的制备与电化学性能研究5.1 引言2-xLaxMnO4阴极材料的制备'>5.2 Sr2-xLaxMnO4阴极材料的制备2-xLaxMnO4阴极材料的表征与性能测试'>5.3 Sr2-xLaxMnO4阴极材料的表征与性能测试5.3.1 材料的物相、结构与化学相容性5.3.2 材料的电导率5.3.3 材料的热膨胀性能5.3.4 电极的烧结特性与微观结构1.4La0.6MnO4 电极的阻抗谱'>5.3.5 Sr1.4La0.6MnO4电极的阻抗谱2-xLaxMnO4 电极性能的影响'>5.3.6 La 掺杂量对 Sr2-xLaxMnO4电极性能的影响5.3.7 电极氧还原反应机理5.3.8 电极的阴极极化性能5.4 本章小结1.5LaxMnO4（x = 0.45,0.4,0.35）阴极材料的制备与电化学性能研究'>第6章 Sr1.5LaxMnO4（x = 0.45,0.4,0.35）阴极材料的制备与电化学性能研究6.1 引言1.5LaxMnO4 材料的制备'>6.2 Sr1.5LaxMnO4材料的制备1.5LaxMnO4 材料的表征与性能研究'>6.3 Sr1.5LaxMnO4材料的表征与性能研究6.3.1 材料的物相、结构与化学相容性6.3.2 材料的热膨胀性能6.3.3 电极的烧结特性与微观形貌6.3.4 电极组成对阴极性能的影响1.5LaxMnO4 电极的阻抗谱'>6.3.5 Sr1.5LaxMnO4电极的阻抗谱6.3.6 电极的氧还原反应机理6.3.7 电极的阴极极化性能6.4 本章小结结论参考文献致谢攻读博士期间发表的学术论文详细摘要
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A2BO4（B=Cu，Mn）型复合氧化物的电化学性质研究
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