纳米Ag表面修饰对BaSrCoFeO阴极材料性能影响机制研究

论文摘要

发明了一种真空辅助化学/电沉积方法（Vacuum Assisted Electroless Plating, VA-EP）,利用这种方法可以在已给定的微孔、多孔结构内进行原位的金属微粒沉积,以形成网络状薄膜,此法可广泛应用于催化、表面处理、电池及材料金属化等领域。对中温固体氧化物燃料电池（Intermediate Temperature– Solid Oxide Fuel Cell, IT-SOFC）的多孔阴极Ba1-xSrxCo1-yFeyO3-δ（BSCF）进行了真空辅助的化学镀银（VA-EPA-BSCF）修饰,对相关作用机理进行了研究。由于纳米级Ag的引入,VA-EPA-BSCF阴极的电化学性能优异,半电池测试条件下阴极的阻抗在600 oC时仅为0.0597 ??cm2,仅为未修饰BSCF的33%;在氧分压（pO2）为0.21 atm下的阴极总活化能为80 kJ?mol-1,是BSCF的80%;采用VA-EPA-BSCF作阴极的Ni-Sm0.2Ce0.8O1.9（SDC）阳极支撑的SDC薄膜燃料电池在650 oC ,空气条件下的功率密度达到1386mW/cm-2。论文通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）进一步分析了纳米尺度的银颗粒在阴极基体颗粒上的生长过程,同时利用电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）对镀液和阴极的成分分析发现了溶液对基体材料的腐蚀作用。X-射线光电子能谱（XPS）分析结果表明,通过化学镀方法引入的银在阴极表层和内层的价态不同,且由于基体中部分阳离子的溶出导致Ba和Co的结合能发生明显移动。半电池电化学交流阻抗谱（EIS）测试发现,低氧分压（pO2<0.1atm）下银修饰阴极的阻抗在高频区间比纯BSCF阴极多一个阴极电化学过程,且每个阴极过程的时间常数（τ）有明显改变。在此基础上,论文通过等效电路的分析方法,研究了变氧分压的阴极阻抗,并在等效电路拟合结果的基础上进一步分析了银修饰阴极的可能反应机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 固体氧化物燃料电池概况
• 1.1.1. SOFC工作原理
• 1.1.2 国内外研究现状
• 1.2 SOFC阴极材料
• 1.2.1 新型阴极材料的开发及制备工艺
• 1.2.2 对阴极反应的机理分析
• 1.3 表面处理技术概况
• 1.4 课题来源
• 1.4.1 改进现有阴极性能
• 1.4.2 阴极反应的机理探讨
• 1.5 本论文拟研究及解决的问题
• 第2章 实验样品的制备与测试
• 2.1 阴极材料的制备
• 2.1.1 溶胶凝胶法制备BSCF粉体
• 2.1.2 多孔BSCF制备过程
• 2.2 真空辅助化学镀银修饰多孔阴极
• 2.2.1 真空辅助化学镀工艺介绍
• 2.2.2 多孔陶瓷材料真空辅助化学镀银工艺过程
• 2.3 阴极的测试
• 2.3.1 电极纵切面形貌
• 2.3.2 电极中各种元素的化合态
• 2.3.3 电极中各种元素镀银修饰后的溶出情况
• 2.3.4 电极的电化学性能
• 2.3.5 电池的封装及测试
• 第3章 真空辅助化学镀银修饰电极性能的研究
• 3.1 电极修饰前后的电化学性能
• 3.1.1 阻抗测试
• 3.1.2 活化能变化
• 3.1.3 电池性能
• 3.2 阴极修饰前后微观形貌的变化及银的存在形式
• 3.2.1 未经电化学测试前不同电极的微观形貌
• 3.2.2 750 ℃测试后不同电极的微观形貌
• 3.2.3 Ag在BSCF阴极中的存在形式
• 3.3 本章小结
• 第4章 真空辅助化学镀银修饰电极前后物理性能的研究
• 4.1 纳米银颗粒在多孔阴极上的生长过程
• 4.2 化学镀银修饰前后电极组分变化情况
• 4.3 修饰时间对阴极电化学性能的影响
• 4.4 阴极修饰前后XPS谱图的变化
• 4.4.1 分辨阴极中Fe，Co，Ba，Sr和O的化合态
• 4.4.2 不同修饰方法对阴极中Ag的化合态的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 阴极过程可能机理分析
• 5.1 电极修饰前后不同氧分压下的阻抗谱
• 5.2 根据等效电路进行的机理分析
• 5.2.1 等效电路中各阻抗随氧分压的变化规律
• 5.2.2 等效电路中各阻抗在低氧分压下的活化能
• 5.2.3 银修饰阴极可能的电极反应机理
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 实验仪器
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢