碱土金属掺杂稀土阴极材料的制备和性能研究

【摘要】固体氧化物燃料电池(SOFC)具有发电效率高、燃料使用面广、采用全固态陶瓷结构、不存在电解质损耗和电极腐蚀、适于模块化设计等优点，是一种很有发展前景的新型能源转换系统。当前，将运行温度降低到中低温范围(500~800℃)是其研究与开发的热点。为了降低原料成本和适于工业化生产，本文以混合稀土取代纯氧化镧经硝酸溶解后形成硝酸盐，采用共沉淀法分别制备了Ln-Sr(orCa)-Cu-O系和Ln-Sr(orCa)-Fe-O系阴极材料（Ln为混合稀土）；此外，还采用溶胶-凝胶法制备了Ce0.9La0.1O2-δ（简称：CLO）电解质材料。对于以上合成的阴极材料和电解质材料，分别讨论了材料合成与制备的工艺条件对材料的结构和性能的影响和研究。研究结果表明，Ln-Sr(orCa)-Cu-O（简称：LnS(C)C）其合成产物为CeO2立方萤石相与钙钛矿相的共存体，当2θ角在20~30°变化时，Sr2+掺杂使LnSC的所形成的钙钛矿结构的衍射峰相对完整；当2θ角在30~45°变化时，Ca2+掺杂使LnCC的钙钛矿结构的衍射峰发生了扭曲；而2θ角在50~60°范围内时，LnCC和LnSC的衍射峰发生了不同程度的偏移和裂变；Ln-Sr(orCa)-Fe-O（简称：LnS(C)F）前躯体其合成产物也为CeO2立方萤石相与钙钛矿相的共存。而且合成产物颗粒分布均匀，出现少量的团聚。在室温到800℃范围内，LnS(C)C和LnS(C)F系阴极材料的电导率变化符合p型小极化子绝热孔隙理论；其Arrhenius曲线在低温段近似为直线满足小极化子导电机理；高温时则以氧空位电荷补偿导电机制为主，致使直线偏转，导电类型也相应由半导体型逐渐向金属型过渡，呈现半导体－金属导电类型转变。此外，LnS(C)C和LnS(C)F系阴极材料的电导率在相同的条件下，LnSF的电导率最大，最大值为595.15S/cm，其它的几种材料的电导率也在500S/cm以上。因此，其电性能满足ITSOFC对阴极材料的要求。还有LnS(C)F的电导率大于LnS(C)C的电导率，由于Fe3+向Fe4+的转化比Cu2+向Cu3+的转化容易的多（因为只有在钙钛矿结构中Cu3+才是存在的），形成Fe4+-O-Fe3+小极化子比形成Cu3+-O-Cu2+小极化子简单，产生电子补偿也就相对容易。溶胶-凝胶法制备的CLO电解质材料的合成温度为900℃，其产物体系为立方萤石晶相，晶胞参数由原来的0.54110nm增加到0.54965nm(La3+进入了晶胞中)；而且粉体的分散性好，粒度分布均匀。1400℃下烧结3h的CLO烧结样品相对密度超过95%。该材料具有较高的电导率，是纯的CeO2的200倍左右，690℃时其离子电导率可以达到0.066S/cm，满足中低温固体氧化物燃料电池电解质材料电性能的要求。
【作者】孙永平；
【导师】高文元；
【作者基本信息】大连工业大学，材料加工工程，2009，硕士
【关键词】ITSOFC；阴极材料；电解质；电导率；成本；

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