La和Fe双掺杂SrTiO3氧化物阳极材料的制备与性能研究

论文摘要

Ni/YSZ（氧化钇稳定氧化锆）金属陶瓷是目前研究得最成熟的,并在实际工程中得到常用的固体氧化物燃料电池（SOFC）阳极材料。在使用H2作燃料时,这种阳极表现出优异的性能,但是,该材料仍存在一些缺点:（1）当以碳氢化合物为燃料时,在Ni/YSZ阳极上会产生积碳;（2）如果直接使用天然气或煤质气燃料,还会出现硫中毒等问题;（3）在SOFC高温运行时Ni金属粒子会发生烧结团聚,从而影响该电极的长期工作稳定性。由于单质氢的储量极少以及目前制备H2技术的限制,应尽量直接在SOFC中使用天然气、甲烷等化石类燃料进行发电,为此研发能够这些气氛下稳定运行的阳极材料成为亟待解决的关键问题。钙钛矿结构的钛酸锶基氧化物材料具有离子-电子混合导电性,并且对碳氢燃料具有良好的电催化性能,成为目前SOFC阳极材料研究的一个热点。本文采用活性炭粉制造还原气氛,进行La、Fe双掺杂的SrTiO3阳极材料的固相法合成。这种方法不但简化了实验装置,也消除了使用氢气还原气氛的安全隐患。La0.3Sr0.7TiO3的合成实验表明,活性炭脱氧气氛下合成的样品呈单相,具有与氢气气氛合成样品非常接近的晶格常数,XPS测量结果证实这种方法合成的样品中具有较高的Ti3+含量和电导率。采用传统固相法在上述还原气氛下合成了La0.3Sr0.7Ti1-xFexO3 （x =0, 0.05, 0.10, LSTF00、LSTF05、LSTF10）新型阳极材料（简称为LSTF）,并且对其性能进行了相关研究和测试,发现LSTF材料与YSZ电解质具有很好的热匹配性。不同气氛下烧结的样品中Ti3+的含量不同,高温电导测试结果说明其电导率与Ti3+含量有关。活性炭脱氧气氛制备的LSTF材料具有较高的电导率,其中La0.3Sr0.7TiO3在800 oC的电导率高达到292 S·cm-1,材料的电导率随Fe的掺杂量增加有所降低,但仍分别达到131 S·cm-1和110 S·cm-1。通过组装以YSZ为电解质,Ag为阴极的单电池,并进行放电曲线和交流阻抗谱的测试,研究了掺杂Fe对LSTF阳极材料的电化学性能的影响规律。结果表明,掺杂Fe可以降低电池的极化阻抗,并提高了电池的最大功率密度。为了进一步提高LSTF系阳极的电化学性能,开展了复合阳极材料的研究。采用硝酸盐溶液浸渍法,在LSTF阳极中加入少量Ni作为催化剂,显著提高阳极的电催化性能;继续通过浸渍加入SDC,提高了阳极的离子电导,获得了性能更优异的阳极材料。浸渍Ni之后,电池的最大功率密度升高了45倍,表明Ni的浸渍确实大大增加了阳极催化H2转化为H+的能力;浸渍SDC加快了离子在电池中的迁移,缩短了燃料气在阳极中的传输路径,进一步提高了电池的功率密度,在850 oC时使用Ni和SDC共浸渍的LSTF10阳极的单电池在H2条件下测试,最大功率密度可以达到366 mW·cm-2。考虑到这种阳极材料具有很好的抗碳沉积性和耐硫毒性能,将这种阳极材料应用于以YSZ和Ag作为电解质和阴极的直接炭燃料电池（DCFC）中,在900 ?C的最大功率密度达26 mW·cm-2。研究结果表明,La0.3Sr0.7Ti1-xFexO3是一种具有很大潜力的SOFC和DCFC的阳极材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 燃料电池
• 1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）
• 1.2.1 固体氧化物燃料电池的特点
• 1.2.2 固体氧化物燃料电池的工作原理
• 1.3 直接炭燃料电池（DCFC）
• 1.4 固体氧化物燃料电池阳极
• 1.4.1 固体氧化物燃料电池阳极材料的特点
• 1.4.2 常用的固体氧化物燃料电池阳极材料
• 3 基阳极方向的研究现状'>1.5 国内外在SrTiO₃基阳极方向的研究现状
• 1.6 本文的主要研究内容及意义
• 0.3Sr_0.7TiO₃阳极材料'>第2章 在脱氧气氛中制备La_0.3Sr_0.7TiO₃阳极材料
• 0.3Sr_0.7TiO₃ 阳极材料的合成'>2.1 La_0.3Sr_0.7TiO₃阳极材料的合成
• 2.2 脱氧气氛的获得
• 2.3 脱氧气氛实现样品还原的可行性研究
• 2.3.1 合成气氛对样品物相的影响
• 3+含量的影响'>2.3.2 合成气氛对Ti³⁺含量的影响
• 2.3.3 烧结气氛对材料电导率的影响
• 2.4 本章小结
• 0.3Sr_0.7Ti_1-xFe_xO₃阳极材料的高温物理性能研究'>第3章 La_0.3Sr_0.7Ti_1-xFe_xO₃阳极材料的高温物理性能研究
• 0.3Sr_0.7Ti_1-xFe_xO₃ 的物相分析'>3.1 脱氧气氛下合成的La_0.3Sr_0.7Ti_1-xFe_xO₃的物相分析
• 3.2 热膨胀系数（TEC）测试
• 3.3 热重分析
• 3.4 X-射线光电子能谱分析
• 3.5 电导率测试结果及分析
• 3.6 本章小结
• 0.3Sr_0.7Ti_1-xFe_xO₃阳极的燃料电池性能研究'>第4章 使用La_0.3Sr_0.7Ti_1-xFe_xO₃阳极的燃料电池性能研究
• 4.1 SOFC 单电池的制备
• 4.1.1 电解质片的制备
• 4.1.2 电极浆料的制备、涂覆及烧结
• 4.2 使用纯LSTF 为阳极的SOFC
• 4.2.1 使用LSTF 阳极的SOFC 微结构分析
• 4.2.2 使用纯LSTF 阳极的SOFC 输出性能分析
• 4.3 Ni 浸渍的LSTF 复合阳极
• 4.3.1 浸渍Ni 催化剂LSTF 阳极的制备
• 4.3.2 浸渍Ni 阳极的SOFC 单电池性能
• 4.3.3 阳极进行Ni 浸渍处理后单电池的阻抗谱分析
• 4.4 Ni 和SDC 浸渍的LSTF 复合阳极
• 4.4.1 SDC 浸渍LSTF 阳极的制备
• 4.4.2 Ni 和SDC 依次浸渍后电池性能
• 4.5 浸渍对LSTF 基阳极性能的影响
• 4.6 以纯LSTF05 为阳极的直接碳燃料电池（DCFC）
• 4.6.1 以活性炭粉为燃料单电池的测试装置
• 4.6.2 使用LSTF05 为阳极的DCFC
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢