论文部分内容阅读
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种直接把燃料中的化学能转化为电能的发电装置。由于阴极上发生的氧还原反应的活化能较高、电极反应速率较慢,因此,在具有较薄电解质的SOFC中,阴极的极化损耗是引起电池性能下降的主要原因。开发适合于中温SOFC（IT-SOFC）且有较高催化性能的阴极材料是目前研究的热点。具有离子和电子混合电导（MIEC）的La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ（LSCF）,在中温下具有良好的氧还原催化活性,被认为是最有潜力的IT-SOFC阴极材料。然而LSCF的热膨胀系数高,与YSZ电解质的高温相容性差,为了避免高温制备时在两相间生成新相,需要一层掺杂的CeO2作为阻挡层。本文以LSCF为研究对象,围绕下述几个部分展开研究:初级粉体的制备工艺与制备原理、传统LSCF阴极的优化、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ+YSZ（LSCF+YSZ）纳米复合阴极的制备与性能以及复合阴极的氧还原反应动力学过程。从电极微观结构优化角度出发,制备了三种不同结构的复合阴极加以对比,并详细研究了电极的催化性能。主要研究结果包括:1)葡萄糖和丙烯酰胺是非常有效的助燃剂和络合剂,它们的使用能够降低燃烧的最高温度和粉体的粒径。在实验范围内,葡萄糖:丙烯酰胺:Mn+的摩尔比为4:6:1,最优焙烧温度为700-800℃。2)三种复合电极的催化性能均优于LSCF电极的性能,其中浸渍法制备的LSCF+YSZ纳米结构复合阴极的催化性能最优,在650和750℃时极化电阻分别为0.218Ωcm2和0.047Ωcm2。3)在600～750℃测试范围内,Pd+LSCF阴极的阻抗值在2.9至0.09Ωcm2之间,而GDC+LSCF复合阴极的阻抗值则在1.05到0.06Ωcm2之间。两种纳米结构的阴极均有较低的过电势。Pd+LSCF和GDC+LSCF纳米结构复合阴极通过PdOx和GDC纳米粒子的引入,电极的三相反应区域增加,LSCF电极的催化性能得到明显改善。4) LSCF+YSZ纳米复合阴极的膨胀系数与YSZ骨架的膨胀系数接近。催化性能受电极微观结构的影响,随着LSCF担载量的增加或工作温度的升高而逐渐增强。电极的阻抗谱用LR（QR）（QR）（X（RL））,（X=R、Q或O）等效电路拟合,得到较好的拟合结果。5) LSCF+YSZ纳米复合阴极的稳定性较差,电极颗粒在高温和电流作用下发生了长大,电极的欧姆电阻和极化电阻均随测试时间增长而逐渐增大。6)浸渍溶液中使用表面活性剂可以改变浸渍电极的微观结构,进而影响电极的催化性能。7)纳米复合阴极阻抗谱复平面第四象限出现的感抗弧主要与三种因素相关:①担载量;②氧分压;③阴极偏电压或偏电流。感抗弧是由于电极表面吸附过多的氧原子或氧分子引起的。8)随着LSCF担载量的增大和工作温度的升高,LSCF+YSZ纳米复合电极的速率控制步骤从电极与电解质的界面处逐渐转移至电极的表面,电极反应出现了从内部向表面的扩展,顺序为:电荷转移和氧离子扩散→氧原子的吸附→氧分子的吸附。