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Pr~(3+)缺位Pr_(1-x)BaCo_2O_(5+δ)固体氧化物燃料电池阴极材料的制备及性能研究

苏志贤  
【摘要】:固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)是一种高效、环保新型能源技术,将SOFC工作温度由1000℃以上高温降低至600-800℃中温范围是目前该领域的重要发展方向。中温SOFC具有电池结构稳定、使用寿命长、电池制备与运行成本低等优点,但是,工作温度的降低同时伴随着电池组元材料性能下降问题,特别是,由于阴极氧还原反应活化能较大,阴极的极化阻抗随温度降低显著增大,从而导致SOFC内损耗增大、输出功率降低。因此,开发中温范围内(600-800℃)具有高电化学反应活性的阴极材料,对于提高SOFC电池性能从而促进其发展、应用具有重要意义。 钻基钙钛矿结构氧化物具有良好的电子-离子混合电导率和较高的氧还原催化活性,是重要的中温SOFC阴极候选材料。层状钙钛矿结构氧化物PrBaCo2O5+δ在A位具有Pr3+和Ba2+两种阳离子,A位阳离子缺位有助于提高氧化物的电化学活性。本工作利用溶胶-凝胶方法合成了A位Pr3+缺位PrBaCo2O5+δ氧化物,Pr1-xBaCo2O5+δ (Pi-xBCO, x=0.00-0.10),并从相结构、稳定性、电导率、电化学性能等方面对该系列材料作为中温SOFC阴极材料进行了分析与评价,重点探讨了Pr3+缺位量(x)对P1-xBCO氧化物晶体结构、稳定性、电导率以及电化学催化活性的影响规律与机制。 X射线衍射仪(XRD)研究结果表明,在Pr3+缺位量x=0.00-0.08范围内,P1-xBCO氧化物为正交晶系层状钙钛矿结构纯相,而在高Pr3+缺位量(x=0.10)下,出现少量C0304杂相;因此,PBCO中Pr3+缺位量应小于10%;并且,随Pr3+缺位量增大,氧化物晶格参数没有发生明显变化。将P1-xBCO与Ceo.9Gd0.1O1.9s (GDC)电解质粉体以质量比1:1充分混合,在1050℃烧结10小时,然后用XRD表征,结果证明,P1-xBCO与GDC在1050℃高温下没有发生化学反应,具有高温化学稳定性;利用四电极方法测试了P1-xBCO在空气中200-80℃电导率,发现,所有样品的电导率值在所测温度范围内均大于200s cm-1,满足SOFC对阴极电导率要求;同时,随Pr3+缺位量提高(x=0.00-0.05),P1-xBCO的电导率逐渐减小,而在x=0.08高Pr3+缺位量下,电导率又有所提高,预示着P1-XBCO中不同的电荷补偿方式;利用交流阻抗技术对P1-xBCO/GDC/P1-xBCO对称电池进行了测试,分析了P1-xBCO阴极的电化学反应活性,结果表明,Pr3+缺位使P1-xBCO阴极的电化学性能显著提高,随着Pr3+缺位量提高(x=0.00-0.05),P1-xBCO阴极的比表面阻抗(ASR)显著下降,而在x=0.08时,ASR稍有所增大。在所测样品中,Pr3+缺位量为5%的P0.05BCO (x=0.05)氧化物具有最好的电化学性能,其ASR值为0.113Ω cm2(600℃)、0.054Ωcm2(650℃)、0.027Ω cm2(70℃)与0.016Ωcm2(750℃)与化学计量比PBCO (x=0)氧化物相比,600-700℃ASR值降低30%-40%,高电化学反应活性证明P0.05BCO是一种极具应用前景的中温SOFC阴极材料.


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