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固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种通过电化学反应将化学能直接转化为电能的电化学装置,具有能量转换率高、燃料适应性强和环境友好等优点。传统的高温SOFC需要在1000oC左右工作,如此高的操作温度会导致严重的界面反应和电极烧结退化等问题,因此将工作温度降至中温(500-800oC)是目前SOFC发展的大势所趋。但是,电解质的欧姆电阻、电极(特别是阴极)的界面极化电阻会随着SOFC运行温度的降低而显著增大,严重制约其发展。因此,必须加快开发各种新型的阴极和电解质材料,从而加速SOFC的实用化进程。本论文正是基于这一点,对SOFC的新型阴极和电解质材料展开深入探索和研究。本论文紧紧围绕这两个方面开展工作,一方面从开发高催化活性、与相邻材料有良好的相容性和稳定性,适合作为中温SOFC的阴极材料入手,在深入研究新型阴极材料的基本物化性能的基础上,成功将其应用于中温SOFC,并取得了较好的电池性能。另一方面,则是通过二价和三价离子共掺杂对氧化铈基电解质的性能进行优化,系统研究共掺杂对氧化铈基电解质的烧结性能、氧空位浓度和离子电导率等性能的影响规律,并将其组装成单电池,其单电池在中温条件下也展示了良好的功率输出和开路电压。首先,考虑到Ba Bi0.05Co0.8Nb0.15O3-δ(BBCN)具有优异的氧透过性能,这对其作为SOFC阴极材料是非常有利的,因此采用固相法制备了立方钙钛矿结构的BBCN及其复合阴极材料,考察其作为中温SOFC阴极的可行性。XRD分析表明BBCN阴极与Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)电解质具有良好的化学相容性。通过XPS结果表明BBCN中各金属离子的氧化态为Co4+/Co3+、Bi3+、Ba2+和Nb5+,其中Co4+/3+混合价态的存在对阴极的电导率和电化学性能起着关键作用。BBCN阴极在100-800oC温度范围内经历了半导体到金属导电机制的转变。其在30-850oC温度范围内的平均热膨胀系数(TEC)为19.60×10-6K-1。采用丝网印刷法制备了BBCN/SDC/BBCN对称电池和Ni O-SDC/SDC/BBCN电解质支撑型单电池,BBCN的极化阻抗(Rp)和功率密度在800oC时分别为0.047Ωcm2和507 m W cm-2。为了进一步改善BBCN阴极的性能,我们制备了BBCN-x SDC复合阴极,并确定SDC的最佳复合比例为50%,在800oC时,以BBCN-50SDC为阴极的单电池功率密度为596 m W cm-2。单电池性能测试表明,电解质离子相的复合是进一步提高BBCN阴极性能的有效手段。随后,为了降低Co基阴极材料的热膨胀系数和成本,我们采用EDTA-柠檬酸联合络合法制备了无钴基双钙钛矿阴极Ln Ba0.5Sr0.5CuB2O5+δ(Ln=Pr,Nd;简称:PBSC和NBSC)。XRD研究表明,PBSC和NBSC为四方结构。XPS结果表明PBSC和NBSC样品中各金属离子化合价态为Pr4+/Pr3+、Nd3+、Ba2+、Sr2+和Cu2+/Cu+,过渡族金属离子混合价态的存在有利于激发P型小极化子导电的载流子浓度。二者的电导率都在450 oC时经历由半导体导电到金属导电机制的转变,且PBSC的电导率大于NBSC。PBSC和NBSC在30-950oC温度范围内的TEC分别为14.2×10-6 K-1和14.6×10-6K-1,非常接近LSGM和SDC等常用电解质的TEC。PBSC和NBSC的Rp在800°C时分别为0.0439Ωcm2和0.0568Ωcm2。以PBSC和NBSC为阴极的LSGM电解质(0.3 mm厚)支撑型单电池在850oC时的最大功率密度分别达到681 m W cm-2和651 m W cm-2。以PBSC为阴极的单电池比以NBSC为阴极的单电池功率密度略大,这一结果与材料的电导率和极化阻抗测试结果规律相一致。在K2Ni F4结构中,Ga在B位的过量存在可以显著提高材料的氧离子传导率,因此我们采用溶胶-凝胶法制备了Pr2Ni0.75CuB0.25Ga0.05O4+δ(PNCG)阴极材料。XRD结果表明,PNCG的晶体结构为四方晶系,说明超量的Ga进入到了Pr2Ni O4晶体结构中。PNCG阴极和Gd0.2Ce0.8O1.9(GDC)电解质混合粉体经900oC烧结5 h后,虽然PNCG和GDC的衍射峰发生微小偏移,但是它们保持了各自的晶体结构,没有第三相生成。PNCG样品在100-850oC范围内的最大电导率值为9 S cm-1。其在30-850oC温度区间内的平均TEC为12.72×10-6K-1。PNCG阴极在800oC时的极化阻抗为0.105Ωcm2。以PNCG为阴极的GDC电解质(0.3 mm厚)支撑型单电池在800°C、750°C、700°C和650°C时的功率密度分别为371,242,183和119 m W cm-2,以上研究结果表明PNCG是一种有潜力的阴极材料。在K2Ni F4结构中,A位La、Pr共掺杂能够提高AO岩盐层的氧离子迁移率,因此我们制备了(Pr0.9La0.1)2(Ni0.74Cu0.21Ga0.05)O4+δ(PLNCG)阴极。XRD表明PLNCG为四方结构,空间群为I4/mmm。PLNCG的电导率在100-850oC温度范围内经历了半导体(0T?s??)到金属(0T?sá?)导电性的转变。TGA和DTA结果表明PLNCG在整个升温过程中没有发生相变,具有较好的热稳定性。PLNCG在30-850oC温度区间内的平均TEC为12.45×10-6K-1,十分接近在同一温度范围内的GDC电解质的TEC(12.39×10-6K-1)。PLNCG阴极在800oC时的极化阻抗为0.037Ωcm2。GDC(0.3 mm厚)电解质支撑型单电池在800oC时的功率密度为407 m W cm-2。PLNCG阴极取得了较好的电化学性能,更重要的是它具有与电解质GDC几乎相同的热膨胀系数,可以避免热循环过程中电池组件间的分层劈裂等问题,因此PLNCG阴极可以作为中温SOFC的候选材料。由于二价、三价离子共掺杂可以提高Ce O2基电解质的烧结性能和离子电导率,因此采用甘氨酸-硝酸盐法(GNP)制备了La3+、Sm3+、Ca2+共掺杂的Ce O2基电解质粉体。XRD测试结果表明Ce0.8La0.03SmB0.17-xCax O2-δ(x=0.00,0.02,0.04,0.06,0.08)样品均为立方萤石结构,在1400oC烧结10 h后晶格常数随着掺杂量的增加呈线性增长,符合Vegard规则,说明La2O3、Sm2O3和Ca O在氧化铈中完全固溶。拉曼测试结果表明,Ca2+掺杂浓度的增加可使Ce O2基电解质内的氧空位浓度逐渐增多。SEM结果表明,少量Ca的掺杂可以提高氧化铈基电解质的致密程度,这主要归因于Ca离子的有效助烧结作用。阻抗测试结果表明当Ca2+的掺杂量为0.02时其离子电导率达到最大,在800oC时为0.0735S cm-1。单电池测试结果显示,Ca掺杂量为0.02时其单电池输出性能比未掺杂的Ce0.8La0.03Sm0.17O2-δ单电池输出性能有明显提高,且以x=0.02为电解质的电池开路电压最大,在700oC、650oC和600oC分别为0.863 V、0.893 V和0.906 V。以上结果表明,La3+、Sm3+、Ca2+的共掺杂效应是存在的,但是高温还原气氛下Ce的还原现象仍然存在,因此要制备高活性的Ce O2基电解质材料还需要更多更细致的研究工作。