中溫固體氧化物燃料電池La-,1-x-Sr-,x-Co-,1-y-Fe-,y-O-,3-δ-陰極的制備及性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種直接把燃料中的化學能轉化為電能的發(fā)電裝置。由于陰極上發(fā)生的氧還原反應的活化能較高、電極反應速率較慢，因此，在具有較薄電解質的SOFC中，陰極的極化損耗是引起電池性能下降的主要原因。開發(fā)適合于中溫SOFC（IT-SOFC）且有較高催化性能的陰極材料是目前研究的熱點。
　　 具有離子和電子混合電導（MIEC）的La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ（LSCF），在中溫下具有良好的氧還原催化活性，

2、被認為是最有潛力的IT-SOFC陰極材料。然而LSCF的熱膨脹系數高，與YSZ電解質的高溫相容性差，為了避免高溫制備時在兩相間生成新相，需要一層摻雜的CeO2作為阻擋層。
　　 本文以LSCF為研究對象，圍繞下述幾個部分展開研究：初級粉體的制備工藝與制備原理、傳統(tǒng)LSCF陰極的優(yōu)化、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ+YSZ（LSCF+YSZ）納米復合陰極的制備與性能以及復合陰極的氧還原反應動力學過程。從電極微觀結

3、構優(yōu)化角度出發(fā)，制備了三種不同結構的復合陰極加以對比，并詳細研究了電極的催化性能。主要研究結果包括：
　　 1)葡萄糖和丙烯酰胺是非常有效的助燃劑和絡合劑，它們的使用能夠降低燃燒的最高溫度和粉體的粒徑。在實驗范圍內，葡萄糖：丙烯酰胺：Mn+的摩爾比為4：6：1，最優(yōu)焙燒溫度為700～800℃。
　　 2)三種復合電極的催化性能均優(yōu)于LSCF電極的性能，其中浸漬法制備的LSCF+YSZ納米結構復合陰極的催化性能最優(yōu)，在

4、650和750℃時極化電阻分別為0.218 Ωcm2和0.047 Ωcm2。
　　 3)在600～75℃測試范圍內，Pd+LSCF陰極的阻抗值在2.9至0.09 Wcm2之間，而GDC+LSCF復合陰極的阻抗值則在1.05到0.06 Wcm2之間。兩種納米結構的陰極均有較低的過電勢。Pd+LSCF和GDC+LSCF納米結構復合陰極通過PdOx和GDC納米粒子的引入，電極的三相反應區(qū)域增加，LSCF電極的催化性能得到明顯改善。<

5、br>　　 4)LSCF+YSZ納米復合陰極的膨脹系數與YSZ骨架的膨脹系數接近。催化性能受電極微觀結構的影響，隨著LSCF擔載量的增加或工作溫度的升高而逐漸增強。電極的阻抗譜用LR(QR)(QR)(X(RL))，(X=R、Q或O)等效電路擬合，得到較好的擬合結果。
　　 5)LSCF+YSZ納米復合陰極的穩(wěn)定性較差，電極顆粒在高溫和電流作用下發(fā)生了長大，電極的歐姆電阻和極化電阻均隨測試時間增長而逐漸增大。
　　

6、6)浸漬溶液中使用表面活性劑可以改變浸漬電極的微觀結構，進而影響電極的催化性能。
　　 7)納米復合陰極阻抗譜復平面第四象限出現的感抗弧主要與三種因素相關：①擔載量；②氧分壓；③陰極偏電壓或偏電流。感抗弧是由于電極表面吸附過多的氧原子或氧分子引起的。
　　 8)隨著LSCF擔載量的增大和工作溫度的升高，LSCF+YSZ納米復合電極的速率控制步驟從電極與電解質的界面處逐漸轉移至電極的表面，電極反應出現了從內部向表面的