无钴基固体氧化物燃料电池阴极材料性能研究
当前社会人类面临能源危机和环境污染两大挑战,探索高效洁净的能源技术更加迫切.固体氧化物燃料电池(SOFC)因其具有高效的能源转换效率以及清洁的优点而得到社会的高度重视.传统的阴极材料(LSM等)只有在高温(>800℃)下的电化学性能稳定,低温会大幅度降低其氧离子传导能力及催化活性,同时高温操作会引起设备维护成本高等缺点,从而探求中低温性能优越的阴极材料已经成为现在主流趋势.本文对Sr1-xCaxFe1-yNbyO3-δ(0≤x≤1,0≤y≤1)、Ba0.95Ca0.05Fe1-yNbyO3-δ(y=0.05,0.1)和Ba0.5Sr0.5Fe1-ySnyO3-δ(y=0,0.05,0.1)三个系列的无钴阴极材料开展了研制分析工作,掺杂不同比例的Ca、Nb和Sn元素制备样品,同时又开展了相关的性能测试,探究其作为阴极材料的可行性.通过固相反应法制备了Sr1-xCaxFe1-yNbyO3-δ(0≤x≤1,0≤y≤1)系列阴极材料.通过XRD图谱,可观察到SrFeO3-δ和Sr0.76Ca0.24Fe O3-δ出现了微弱的杂峰,Sr0.76Ca0.24Fe0.9Nb0.1O3-δ和Sr0.76Ca0.24Fe0.95Nb0.05O3-δ两个样品都获得了单一立方钙钛矿结构,并且我们发现当B位Nb元素掺杂含量逐渐增大时,衍射角角度会变小,样品的TEC值会减小,电导率值减小,界面极化电阻Rp值增大,SrFeO3-δ和SCFNy(y=0,0.05,0.1)系列样品在800℃下的阻抗值,其分别为0.361、0.037、0.026和0.031Ωcm2,Sr0.76Ca0.24Fe0.95Nb0.05O3-δ样品的最大功率密度为391 mW cm-2.通过固相反应法制备了Ba0.95Ca0.05Fe1-yNbyO3-δ(y=0.05,0.1)系列阴极样品,我们发现BaFeO3没有形成稳定的立方钙钛矿结构,当掺杂Ca与Nb元素时,Ba0.95Ca0.05Fe0.9Nb0.1O3-δ和Ba0.95Ca0.05Fe0.95Nb0.05O3-δ材料都生成了单一立方相钙钛矿结构,但是存在杂相BaFe2O4.通过实验结果分析可知,当Nb掺杂量上升时,阴极材料的TEC值会下降,电导率值减小,界面极化阻抗值减小.通过固相法制备了Ba0.5Sr0.5Fe1-ySnyO3-δ(y=0,0.05,0.1)阴极材料,Ba0.5Sr0.5FeO3-δ、Ba0.5Sr0.5Fe0.9Sn0.1O3-δ和Ba0.5Sr0.5Fe0.95Sn0.05O3-δ三个样品全部都形成了单一的立方钙钛矿结构.通过实验结果分析可知,Ba0.5Sr0.5Fe0.95Sn0.05O3-δ样品具备优良的电化学性能,当温度上升至800℃时,其极化阻抗值可减小至0.069Ωcm2,材料的最大功率密度可达438mW cm-2.结果表明,Sr1-xCaxFe1-yNbyO3-δ(0≤x≤1,0≤y≤1)和Ba0.5Sr0.5Fe1-ySnyO3-δ(y=0,0.05,0.1)两个系列氧化物是有应用前景的阴极材料.
- 作者：
- 谢彦陶
- 学位授予单位：
- 中国民航大学
- 专业名称：
- 航空工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 周青军
- 中图分类号：
- TM911.4
- 关键词：
- 阴极材料；固相反应法；立方钙钛矿结构；电化学性能测试
- cathod materials； solid-state reaction； cubic perovskite structure； electrochemical performance test