新型中温阴极材料的微波合成及性能研究

论文摘要

中温固体氧化物燃料电池（ITSOFC）以其具有能量转换效率高，可以达到8090%，操作温度低，并且使用寿命长，可用燃料广泛，同时对环境污染又小等许多优点，被称作21世纪新的清洁、绿色能源。但传统的以纯度较高的稀土氧化物或稀土硝酸盐为原料的SOFC制备成本较高，因此寻找价格低廉，性能可靠的阴极材料将成为ITSOFC目前研究的热点。本论文主要以价格低廉的混合稀土氧化物为原料，分别进行了碱土金属离子Sr2+、Ca2+的单掺杂，采用先进的微波烧结法以及固相合成法制备了Ln-B-Co-O（Ln=混合稀土，B=Sr，Ca）系阴极材料，以期在降低原料成本的基础上更好地满足ITSOFC对阴极材料性能的要求，并对其制备的电池性能进行了初步的研究。此外，还采用部分共沉淀法，在混合稀土氧化物中加入适量的氧化钐，制备了Ln-B-Co-O与Ce0.8Sm0.2O1.9（Ln-B-Co-O-SDC）系复合阴极材料，并对其反应过程、结构及电性能进行了初步研究。实验结果得出：固相合成的Ln-B-Co-O系阴极材料在1200℃烧结4h后以及微波烧结的Ln-B-Co-O系阴极材料在1200℃烧结30min后，其合成产物为CeO2立方萤石相与钙钛矿相共存，此时掺杂的碱土金属离子Ca2+、Sr2+分别进入LnCoO3晶格形成固溶体；通过分析可知原料的分解温度降低在700900℃之间，可知混合稀土具有助熔剂的作用，大大降低了固溶体形成的温度。反应过程中，掺杂进的Sr2+离子易于与CeO2发生反应形成钙钛矿，而掺杂的Ca2+离子易于与混合稀土中的La2O3发生取代，其反应形成的钴酸盐钙钛矿结构有利于电子的传导，因此其电导率较高、电导活化能较小。从室温到800℃内，Ln-B-Co-O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，且在500～800℃内电导率均大于100S/cm。同时它与新型中温电解质Ce0.8Sm0.2O1.9具有良好的相容性，表现出良好的适应性。采用部分共沉淀法1100℃烧结4h合成的Ln-B-Co-O-SDC系复合阴极材料，其体系物相以CeO2立方萤石相为主且与钙钛矿相共存；样品在500800℃内电导率大于100S/cm，满足ITSOFC对阴极材料的电性能要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 第二章 文献综述
• 2.1 燃料电池的发展背景及应用前景
• 2.1.1 燃料电池的发展背景
• 2.1.2 燃料电池的应用前景
• 2.2 ITSOFC 的研究概况
• 2.3 ITSOFC 的研究
• 2.3.1 ITSOFC 的工作原理及组成结构
• 2.3.1.1 ITSOFC 的工作原理
• 2.3.1.2 ITSOFC 的组成结构
• 2.3.2 ITSOFC 的研究
• 2.3.2.1 阴极材料
• 2.3.2.2 电解质材料
• 2.3.2.3 阳极材料
• 2.4 ITSOFC 阴极材料的制备方法
• 2.4.1 固相烧结法
• 2.4.2 微波合成法
• 2.4.3 共沉淀法
• 2.5 电解质的制备方法
• 2.6 本论文的特点
• 第三章 实验原理及方法
• 3.1 配方设计理论基础
• 3.2 实验原料、设备
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.3 Ln-B-Co-O 系阴极的制备
• 3.3.1 固相合成法制备原理及过程
• 3.3.1.1 制备原理
• 0.7Sr_0.3CoO_3-δ（LnSC）、Ln_0.7Ca_0.3CoO_3-δ（LnCC）制备过程'>3.3.1.2 Ln_0.7Sr_0.3CoO_3-δ（LnSC）、Ln_0.7Ca_0.3CoO_3-δ（LnCC）制备过程
• 3.3.2 微波烧结法制备原理与过程
• 3.3.2.1 制备原理
• 0.7Sr_0.3CoO_3-δ（LnSC）、Ln_0.7Ca_0.3CoO_3-δ（LnCC）制备过程'>3.3.2.2 Ln_0.7Sr_0.3CoO_3-δ（LnSC）、Ln_0.7Ca_0.3CoO_3-δ（LnCC）制备过程
• 0.8Sm_0.2O_1.9（SDC）电解质制备原理与过程'>3.4 sol-gel 法制备 Ce_0.8Sm_0.2O_1.9（SDC）电解质制备原理与过程
• 3.4.1 sol-gel 法制备原理
• 0.8Sm_0.2O_1.9（SDC）sol-gel 法制备过程'>3.4.2 Ce_0.8Sm_0.2O_1.9（SDC）sol-gel 法制备过程
• 3.5 Ln-B-Co-O-SDC 复合阴极制备原理与过程
• 3.5.1 共沉淀法的制备原理
• 3.5.2 LnSC-SDC、LnCC-SDC 制备过程
• 3.6 干压法制备固体氧化物燃料电池
• 3.6.1 固体氧化物燃料电池的工作原理
• 3.6.2 固体氧化物燃料电池的制备
• 3.6.2.1 阳极的制备
• 3.6.2.2 电池的制备
• 3.6.3 测试装置的装备过程
• 3.7 合成产物的表征
• 3.7.1 DSC-TG 分析
• 3.7.2 XRD 分析
• 3.7.3 SEM 分析
• 3.7.4 电导率测定
• 3.7.5 收缩率、密度及孔隙率的测定
• 3.7.5.1 收缩率的测定
• 3.7.5.2 密度及吸水率的测定
• 3.7.6 晶粒尺寸的计算
• 第四章 实验结果与讨论
• 4.1 Ln-B-Co-O 系阴极的性能研究
• 4.1.1 固相合成法制备的 Ln-B-Co-O 性能研究
• 4.1.1.1 反应过程分析
• 4.1.1.2 晶体结构分析
• 4.1.1.3 颗粒及断面形貌分析
• 4.1.1.4 电导率分析
• 4.1.1.4.1 Ln-B-Co-O 的导电机理
• 4.1.1.4.2 Ln-B-Co-O（B=Sr,Ca）的电导率与温度的关系
• 4.1.1.5 烧结性能分析
• 4.1.2 微波烧结法制备的 Ln-B-Co-O 性能研究
• 4.1.2.1 晶体结构分析
• 4.1.2.2 颗粒形貌分析
• 4.1.2.3 电导率分析
• 4.1.2.4 烧结性能分析
• 4.1.3 固相合成法与微波烧结法制备的 Ln-B-Co-O 的性能比较
• 2+掺杂对电导率的影响以及比较'>4.1.3.1 Sr²⁺掺杂对电导率的影响以及比较
• 2+掺杂对电导率的影响以及比较'>4.1.3.2 Ca²⁺掺杂对电导率的影响以及比较
• 4.1.3.3 烧结性能比较
• 0.8Sm_0.2O_1.9系阴极性能的初步研究'>4.2 Ln-B-Co-O-Ce_0.8Sm_0.2O_1.9系阴极性能的初步研究
• 4.2.1 反应过程分析
• 4.2.2 晶体结构
• 4.2.3 颗粒形貌分析
• 4.2.4 电导率分析
• 4.2.5 烧结性能分析
• 4.3 电池性能的初步研究
• 4.3.1 电池性能分析
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢