《BSCF+LSM納米薄膜-新型SOFC陰極的氧催化活性和耐CO2能力研究》是依託哈爾濱工業大學，由朱星寶擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：BSCF+LSM納米薄膜-新型SOFC陰極的氧催化活性和耐CO2能力研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：朱星寶
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
(Ba,Sr)(Co,Fe)O3-δ（BSCF）作為固體氧化物燃料電池（SOFC）中溫陰極材料及透氧膜材料均表現出卓越的性能。但其穩定性問題，尤其是CO2中毒，始終限制著BSCF的大規模套用。本項目擬採用溶液浸漬方法在BSCF表面外延生長一層緻密且均勻的 (La,Sr)MnO3（LSM）納米薄膜（厚度約50 nm）。利用表層的LSM來提升和保證整個電極的穩定性；利用BSCF來保證電極的高離子和電子傳導性。進而製備出一種具有較高氧催化活性和很高穩定性的新型複合陰極。並通過電導弛豫和活化極化測試，研究LSM薄膜對BSCF氧催化活性的影響；通過測定BSCF+LSM納米薄膜複合粉體、緻密塊狀樣品和多孔電極在不同溫度和氣氛下的性能變化，全方位驗證這種複合電極的穩定性，尤其是耐CO2能力。並加深對多孔電極內表面外延生長納米薄膜層的機理性認識，為相關表面修飾研究和套用提供技術借鑑和科學指導。
結題摘要
能源短缺和環境污染始終是影響現代社會可持續發展的重要問題。固體氧化物燃料電池（SOFC）作為一種清潔、高效的電化學能源轉換裝置越來越受到世界各國的重視。然而，目前SOFC的商業化進程才剛剛起步，其主要原因之一是SOFC的電極在長期運行中不夠穩定，體現在：（1）電極材料容易燒結；（2）易與相鄰材料反應生成低導電和低活性物質；（3）對某些氣體過於敏感，易引起電極中毒。因此，提升和改善電極穩定性已成為推進SOFC實用化的核心問題。陰極是SOFC的重要組成部分。LSCF和BSCF作為SOFC中溫陰極材料已表現出卓越的性能，但研究發現LSCF和BSCF在含有少量CO2或H2O的氣氛中不夠穩定。究其原因在於材料中的Sr和Ba元素容易從鈣鈦礦晶格中脫嵌並向表面遷移，遇空氣中的H2O和CO2反應生成電導率低，催化活性差的(Ba,Sr)(OH)2和(Ba,Sr)CO3。這種惰性層覆蓋表面活性點，最終導致電極失效。為提高LSCF和BSCF陰極的長期工作穩定性，本項目採用溶液浸漬的方法在多孔LSCF和BSCF陰極內表面外延生長一層緻密且均勻的LSM納米薄膜，用於阻擋基底表面與外界氣體的直接接觸，進而避免生成惰性層。具體的研究內容包括：（1）選取浸漬溶液的溶劑、金屬離子絡合劑、表面活性劑；（2）最佳化各個組分的比例，並確定溶液pH值；（3）最佳化溶液的乾燥過程；（4）最佳化薄膜的燒結過程和成相溫度；（5）通過SEM和高分辨TEM追蹤最佳化過程中的成膜情況；（6）設計對稱電池分析電化學極化過程；（7）設計全電池測試電池長達400小時的運行穩定性；（8）設計模型電極分析LSM薄膜的協同效應，並通過模擬和理論計算進一步驗證實驗結果。基於上述研究結果，迄今為止發表SCI論文25篇，包括2篇Energy Environmental Science（第一作者，影響因子20.523），申請國家發明專利5項（已授權），培養博士生1名，碩士生3名，本科生8名。本項目通過實驗設計和過程最佳化最終成功製備了一種新型核殼結構陰極，並通過電化學測試和理論模擬最終證實了電極的高穩定性，成功解決了LSCF和BSCF的長期工作穩定性問題，同時提出一種在多孔基底內部製備高緻密度納米陶瓷薄膜的新方法。
