《中低溫固體氧化物燃料電池核-殼結構陰極的研究》是依託華中科技大學，由李箭擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：中低溫固體氧化物燃料電池核-殼結構陰極的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：李箭
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
對於中低溫固體氧化物燃料電池（SOFC）而言，陰極材料的性能是制約其技術發展的關鍵瓶頸問題。為此，本項目提出研究具有新穎核?殼結構的陰極，使之滿足中低溫SOFC對陰極材料的苛刻要求。陰極核體為具有高氧體擴散性和導電性的雙鈣鈦礦（double perovskite，DP）陶瓷材料，殼層為具有高氧表面交換性能和CO2毒化抗力的Ruddlesden-Popper（RP）陶瓷材料。我們將在核體和殼層材料成分最佳化、多孔核/殼陰極製備技術與性能提升以及核體和殼層材料化學相容性與界面特徵等方面開展研究，旨在解決元素摻雜對DP和RP材料性能的作用、核/殼陰極微觀結構對電化學性能的影響、核/殼界面結構和成分演變規律及其與電化學性能的關係以及核?殼陰極中氧還原反應機理等科學問題，最終研製出具有新穎核/殼結構的、適用於中低溫SOFC的高性能陰極。
結題摘要
SOFC的中低溫化發展目前受制於陰極材料的性能，單相陰極材料無法同時滿足電極氧還原催化活性需求與長期穩定性需求。本項目以高性能雙鈣鈦礦陰極PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ（PBSCF）為主體研究材料，針對其電化學性能與長期穩定性進行最佳化改性。PBSCF陰極在中溫下具有優異的電化學性能，然而由於含有Ba、Sr等鹼土金屬元素，PBSCF陰極的長期穩定性受到CO2毒化的威脅。為解決該問題，選擇不含鹼土元素的La2NiO4+δ（LN）材料作為殼層包覆在PBSCF骨架的表面，製備了PBSCF-LN核殼結構陰極，對其各項性能進行了測試與表征，主要研究結果如下： （1）利用溶液浸漬法製備了PBSCF-LN核殼結構陰極，相比單相PBSCF陰極，PBSCF-LN核殼結構陰極具有更好的ORR催化活性。得益於LN材料較高的氧表面交換係數k*，LN殼層的引入能極大地促進陰極體系的ORR表面過程，最終使陰極整體的電化學性能得以提升； （2）在10%CO2氣氛下的加速實驗中，單相PBSCF陰極性能衰減極快，即使移除CO2後，其電極性能也幾乎沒有恢復；而PBSCF-LN核殼結構陰極的衰減速率較為緩慢，且在移除CO2後，其電極性能大幅回升且接近於初始值。結果證實CO2氣體對PBSCF陰極造成的性能衰減是不可逆的，而對於PBSCF-LN核殼結構陰極該衰減是可逆的； （3）通過控制LN硝酸鹽浸漬液的濃度可以得到不同LN殼層厚度的PBSCF-LN核殼結構陰極，研究表明具有較薄LN殼層的PBSCF-LN陰極性能較優。LN較低的體擴散係數D*對於氧離子的傳導是一種阻礙，因此10nm左右LN殼層包覆的PBSCF-LN核殼結構陰極具備最優ORR催化活性； （4）PBSCF-LN核殼結構陰極比單相PBSCF陰極具備更好的電流極化穩定性。對極化測試後的PBSCF-LN陰極進行界面表征並結合第一性原理計算結果表明： PBSCF骨架中的Sr元素擴散並摻雜進入LN晶格，同時於PBSCF/LN相界處產生了一定量的氧空位，提升了界面處的氧離子傳導性能，緩解了電流極化帶來的陰極性能衰減，使得PBSCF-LN核殼結構陰極具有較好的電流極化穩定性； （5）採用溶液浸漬法製備了BSCF-LSM核殼結構陰極，並實現了優異的抗CO2毒化性與ORR催化活性。利用氧分壓實驗探究了BSCF-LSM陰極的ORR催化機理。
