EDTA-硝酸盐法制备La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O3-δ及其性能

用EDTA-硝酸盐法合成了中温固体氧化物燃料电池的电解质La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O3-δ(LSGM).BET法测定了前驱粉体的比表面积.XRD和DTA-TG曲线综合分析了合成过程中的化学反应.热膨胀仪和交流阻抗谱测定了其烧结性能和电化学性能.DTA-TG结果表明粉体在800℃左右开始形成钙钛矿结构,1200℃烧结就可以形成具有完整的钙钛矿结构LSGM样品;XRD表明用该方法合成的LSGM具有纯度高、杂相少等优点;烧结收缩率曲线显示烧结温度比固相法合成低了200℃左右;交流阻抗谱结果计算得到LSGM样品在800℃的电导率为7.5 S/m.     

用柠檬酸-硝酸盐合成La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O3-δ及其性能

用柠檬酸-硝酸盐水系溶液为前驱体合成了具有钙钛矿结构的中温电解质La_(0.8)Sr_(0.2)Ga_(0.85)Mg_(0.15)O_(3-s-δ)(LSGM)。用DTA-TGA和X射线衍射仪分析了LSGM材料中钙钛矿相的形成过程,用热膨胀仪和交流复阻抗谱研究了样品的烧结、热膨胀和电学性能。研究结果表明:用柠檬酸-硝酸盐溶液制备LSGM所得到的非晶产物在800℃时开始形成钙钛矿相,1400℃烧结6 h已经完全转变成稳定钙钛矿相,LSGM样品在1450℃烧结6 h,相对密度已经达到98％。1450℃烧结6 h的LSGM样品阻抗谱研究表明:与固相法制备的LSGM相比,用柠檬酸-硝酸盐溶液合成的LSGM晶界电阻和杂相电阻都很小,不影响样品的电导。表明用湿化学法合成LSGM有利于提高纯度,改善导电性能。850℃时样品的电导率为6.0×10~(-2)S/cm,900℃时单电池的最大输出功率密度为12.2 mW/cm~2,短路电流密度达刭55.2 mA/cm~2。     

制备方法对Pr0.6Sr0.4FeO3-δ结构与性能的影响

采用甘氨酸-硝酸盐、Pechini、柠檬酸-硝酸盐以及尿素-硝酸盐等4种不同的湿化学方法,制备了Pr0.6Sr0.4FeO3-δ复合氧化物粉体.用X射线衍射分析了材料中钙钛矿物相的形成过程及其与中温电解质的化学相容性.用扫描电镜研究了样品的微结构.结果表明:不同方法得到的素坯经1 000℃煅烧2 h即形成钙钛矿结构的固溶体.Pechini法制备的非晶产物煅烧后钙钛矿物相的纯度最高.素坯经1200℃煅烧2 h,所得陶瓷体的总气孔率均为43%～49%;体积密度以柠檬酸-硝酸盐法粉体的样品最高,甘氨酸-硝酸盐法最低.在室温到800℃的温度范围内,Pechini法制备的陶瓷体的热膨胀系数为12.15×10-6/K,与电解质Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)及La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)的数值一致.X射线衍射揭示产物与中温电解质SDC及LSGM具有良好的化学相容性.     

制备方法对Pr0.6Sr0.4FeO结构与性能的影响

采用甘氨酸-硝酸盐、Pechini、柠檬酸-硝酸盐以及尿素-硝酸盐等4种不同的湿化学方法,制备了Pr0.6Sr0.4FeO3-δ复合氧化物粉体.用X射线衍射分析了材料中钙钛矿物相的形成过程及其与中温电解质的化学相容性.用扫描电镜研究了样品的微结构.结果表明不同方法得到的素坯经1 000℃煅烧2 h即形成钙钛矿结构的固溶体.Pechini法制备的非晶产物煅烧后钙钛矿物相的纯度最高.素坯经1200℃煅烧2 h,所得陶瓷体的总气孔率均为43%～49%;体积密度以柠檬酸-硝酸盐法粉体的样品最高,甘氨酸-硝酸盐法最低.在室温到800℃的温度范围内,Pechini法制备的陶瓷体的热膨胀系数为12.15×10-6/K,与电解质Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)及La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)的数值一致.X射线衍射揭示产物与中温电解质SDC及LSGM具有良好的化学相容性.     

固体氧化物燃料电池双钙钛矿SmBaCoFeO_(5+δ)阴极材料的结构与性能

通过柠檬酸硝酸盐燃烧法制备中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)双钙钛矿阴极材料Sm Ba Co Fe O_(5+δ)(SBCFO)粉体,并系统研究了该材料在中温段的晶体结构特征、热膨胀性能、离子-电子传输特性、电化学催化活性以及电池功率特性。结果表明:SBCFO在室温下为P mmm正交结构,在300℃时材料转变为P 4/mmm四方结构。SBCFO的热膨胀系数在25～200℃和200～900℃范围内分别为15.7×10~(-6 )K~(-1)和19.6×10~(-6 )K~(-1)。SBCFO阴极在600～800℃温度范围内电导率超过100 S/cm。在700,750,800和850℃时,空气(50 m L/min)气氛中,SBCFO/La_(0.8)S_(r0.2)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_3(LSGM)/SBCFO对称电池极化电阻分为0.210,0.100,0.054和0.032Ω?cm~2。SBFCO双钙钛矿阴极氧还原反应的限速步骤是表面吸附氧分子解离成氧原子的过程。以SBCFO为阴极组装电解质支撑型单电池Ni-Gd_(0.1)Ce_(0.9)O_(2-δ)/La_(0.4)Ce_(0.6)O_2/LSGM(300μm)/SBCFO,800℃时,其最大功率密度达到831 m W/cm~2。     

YBa_(1-x)Ca_xCo_2O_(5+δ)(x=0,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3)体系的制备和物性研究

用溶胶凝胶法制备了钙钛矿钴氧化物YBa1-xCaxCo2O5+δ(x=0,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3),系统研究了材料的热膨胀性能和电输运性质.结果表明,热膨胀系数随着Ca的掺杂量x的增加而减小,x=0.30掺杂样品在400℃-800℃温区内具有最小的平均热膨胀系数约为12.34×10-6K-1;掺杂样品在中低温下的电输运机制符合小极化子模型,x=0.30掺杂样品也具有较高的电导率约为126Scm-1,在800℃时的热膨胀系数与固体电解质YSZ最相近.     

阴极材料用Pr0.6-xNdxCa0.4FeO3-δ陶瓷的特性

以Pechini法合成了ABO3型钙钛矿结构的Pr0.6-xNdxCa0.4FeO3-δ(x=01,0.3,0.5)系列稀土复合氧化物粉体.用Fourier变换红外光谱和激光共焦Raman光谱对粉体烧结后样品的化学键及物相进行了表征.用热膨胀仪测定烧结样品的热膨胀系数.通过扫描电镜观察样品用作阴极材料时的微结构及阴极/电解质[钐掺杂氧化铈(samarium-doped ceria,SDC)]复合层的断口形貌.结果表明:1 200℃煅烧2h的样品的主晶相为正交钙钛矿,x=0.3的样品是正交与立方相的混合晶.在室温～1 000 ℃范围内,烧结样品的平均热膨胀系数为12.76x10-6/K,与SDC及La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O3-δ(LSGM)电解质的热膨胀系数一致.烧结样品内部孔隙分布均匀,孔隙率约35%,阴极/电解质复合层界面清晰.将复合氧化物粉体和SDC在1 200℃煅烧10h没有检测出第三相.     

掺杂LaGaO3中温固体氧化物燃料电池电解质

叙述了掺杂LaGaO3(LSGM)作为优良的中温SOFC电解质的研究现状.在800℃左右,10-16≤PO2≤105Pa氧分压范围内,LSGM几乎是单纯的氧离子导体,具有较高的电导率,σ大于或等于0.1S/cm,而且长期保持稳定.在LSGM中掺杂少量低价金属阳离子,可望提高LSGM的电导率.LSGM存在的主要问题是Ga的蒸发.LSGM粉末的制备方法主要有3种:固态反应法、尿素法和Sol-gel法.     

中温固体氧化物燃料电池电解质材料及其制备工艺的研究发展趋势

综合介绍了中温固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cells,SOFCs)的电解质材料以及薄膜的制备工艺.中温SOFCs的工作温度应低于800℃,甚至低于750℃,为600～800℃.固体氧化物电解质的晶体结构基本上属于下列两类:面心立方的萤石型和立方型钙钛矿晶体结构.稳定ZrO2是萤石型结构电解质的一个典型代表.8%(摩尔分数,下同)氧化钇稳定氧化锆(8%in mole Y2O3 stabilized ZrO2,8YSZ),其在1 000℃左右才有可观的离子电导率(0.1 S/cm).在800℃,氧化钪掺杂氧化锆(Zr0.9Sc0.1O1.95,scandia doped zirconia,SSZ)的电导率(0.1 S/cm)比Zr0.9Sc0.1O1.95(10YSZ)的(0.03S/cm)高得多.Sm掺杂的CeO2(samarium doped ceria,CSO)电解质有希望应用于中温SOFCs.Sr和Mg掺杂LaGaO3(LSGM)氧离子导体已成为中低温SOFCs重要候选电解质材料.改进氧化锆基电解质的电导性能的另一个途径是薄膜化.厚度小于10 μm的YSZ基SOFCs,在800℃,0.8V时的功率密度可达800mW/cm2.薄膜比厚膜能提供更好的化学均匀性和更易控制成分.SOFCs要求精细和尺度小时,通常选择薄膜;而低成本和大尺寸时,通常选择厚膜.成本较低的膜成型工艺有等离子喷涂、胶态成型工艺、流延成型、冷冻干燥成型、丝嘲印刷和真空泥浆浇注等.     

中温固体氧化物燃料阴极La0.7Sr0.3-xCaxCo0.9Fe0.1O3-δ粉体的柠檬酸盐法合成及性能

以金属硝酸盐为原料,柠檬酸盐法合成了用于中温固体氧化物燃料电池阴极材料La0.7Sr0.3-xCaxC0.9Fe0.1O3-δ(LSC-CF,x=0.05、0.10、0.15、0.20)的前驱体,TG-DSC、XRD和SEM研究了LSCCF的形成过程、晶体结构、粉体形貌、催化性能以及与电解质的化学相容性,并在空气气氛下用直流四极探针法测试经1 200℃烧结3 h后LSCCF样品从100℃到800℃的电导率.实验结果表明800℃处理3 h后的LSCCF前驱体可以形成粒度小于20μm钙钛矿结构的粉体,LSCCF样品的电导率随着Ca2+含量的减少而变大,且在500～800℃内均大于500 S/cm.LSCCF粉料可使碳粉的着火点降低14℃并加剧了碳粉的反应.LSCCF阴极与电解质Ce0.8Sm0.2O2具有好的化学相容性.     

阴极材料用Pr_(0.6–x)Nd_xCa_0.4FeO_(3–δ)陶瓷的特性

以Pechini法合成了ABO3型钙钛矿结构的Pr0.6-xNdxCa0.4FeO3-δ(x=0.1,0.3,0.5)系列稀土复合氧化物粉体。用Fourier变换红外光谱和激光共焦Raman光谱对粉体烧结后样品的化学键及物相进行了表征。用热膨胀仪测定烧结样品的热膨胀系数。通过扫描电镜观察样品用作阴极材料时的微结构及阴极/电解质[钐掺杂氧化铈(samarium-doped ceria,SDC)]复合层的断口形貌。结果表明:1200℃煅烧2h的样品的主晶相为正交钙钛矿,x=0.3的样品是正交与立方相的混合晶。在室温～1000℃范围内,烧结样品的平均热膨胀系数为12.76×10-6/K,与SDC及La0.8Sr0.2Ga0.85Mg0.15O3-δ(LSGM)电解质的热膨胀系数一致。烧结样品内部孔隙分布均匀,孔隙率约35%,阴极/电解质复合层界面清晰。将复合氧化物粉体和SDC在1200℃煅烧10h没有检测出第三相。     

固体氧化物燃料电池电解质制备方法的研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种绿色能源得到了广泛关注,SOFC中关键材料是电解质,LaGaO_3基固体电解质(LSGM)不仅离子电导率高,而且在电池工作时稳定性好,因此成为了研究焦点。本文综述了制备中低温固体氧化物燃料电池电解质LSGM的三种方法,包括传统的固相反应法、高温高压法和溶胶凝胶法;介绍了各种方法的流程以及它们各自的优缺点。     

YBa1—xCaxCo2Oδ5＋6（X=0，0．1,0．15，0．2,0．25，0．3）体系的制备和物性研究

用溶胶凝胶法制备了钙钛矿钴氧化物YBa1-xCaxCo2Oδ5＋6（X=0,0．1,0．15,0．2,0．25,0．3）,系统研究了材料的热膨胀性能和电输运性质。结果表明,热膨胀系数随着ca的掺杂量x的增加而减小,x=0．30掺杂样品在400℃-800℃温区内具有最小的平均热膨胀系数约为12．34×10^-6K^-1;掺杂样品在中低温下的电输运机制符合小极化子模型,x=0．30掺杂样品也具有较高的电导率约为126Scm^-1,在800℃时的热膨胀系数与固体电解质YSZ最相近。     

用于固体氧化物燃料电池的Zn掺杂BaZr0.7Pr0.1Y0.2O3-δ质子导体电解质的制备与性能

采用柠檬酸–硝酸盐燃烧法制备了质子导体固体氧化物燃料电池(SOFC)电解质材料BaZr0.7Pr0.1Y0.2O3–δ(BZPY)和BaZr0.7Pr0.1Y0.16Zn0.04O3–δ(BZPYZn)。研究了Zn掺杂对材料烧结、热膨胀系数和电性能的影响;利用X射线衍射仪和扫描电子显微镜对样品物相和微观结构进行了表征。结果表明:BZPYZn经1 100℃煅烧5h后呈单一的钙钛矿结构。随烧结温度的升高(从1 300℃到1400℃),BZPYZn陶瓷体的晶粒尺寸增大,而孔隙率减小;1350℃保温5h烧结的BZPYZn陶瓷样品的相对密度达到97.3%;500～800℃范围内,离子电导率介于10–3～10–2S/cm之间。室温至1 000℃范围内,样品的热膨胀系数为9.2×10–6/K,表明其与电极材料(Ni)的热匹配性好。预示BZPYZn有望成为良好的质子传导型中温SOFC电解质材料。     

晶体结构对LaGaO3基固体电解质电性能的影响

用Raman光谱和直流四电极法分别研究了La0.9Sr0.1Ga0.9Mg0.1O2.9(LSGM1010),LaGa0.8Mg0.2O2.9(LMG20)和La0.8Sr0.2Gao2.9(LSG20)的晶体结构和离子电导率。Raman分析显示LSGM1010和LGM20具有对称性较高的菱方钙钛矿结构,而LSG20具有低对称性的斜方钙钛矿结构.电性能测试发现LSGM1010和LGM20有相近的离子电导率,而且都比LSG20在相同的温度下高近一个量级。结构分析发现在掺杂LaGaO3中高对称性的晶体结构有利于获得高的离子电导率。在光电子能谱(XPS)分析的基础上对产生这种现象的物理原因进行了解释。     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料LaFe1-xCuxO3-δ的制备与性能研究

采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法合成了LaFe1-xCuxO3-δ(LFC)阴极粉体和Gd0.1Ce0.9O2-δ(GDC)电解质粉体,构建了对称固体氧化物燃料电池LFC/GDC/LFC。利用X射线衍射法(XRD)研究LFC材料的物相结构以及与电解质GDC的化学相容性,采用直流四端子法测试了阴极的电导率,采用交流阻抗法记录界面极化行为,通过扫描电子显微镜(SEM)观察对称电池的断面微观结构。结果表明:合成的LFC粉体(x≤0.2)均呈现单一的钙钛矿结构,且与电解质GDC在低于900℃具有良好的化学相容性;B位掺杂Cu元素能够提高阴极材料的电导率,700℃左右在x=0.2时其电导率最大为104 S·cm-1;极化阻抗随着Cu2+掺杂量的增加而减小,x=0.2时在750℃空气气氛下的电极与电解质间的极化阻抗Rp最小为0.237Ω·cm2。     

LaGaO3基固体电解质在SOFC中的应用

对锶镁掺杂镓酸镧(La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O2.85, 简写为LSGM1020)固体电解质的电化学性能进行了初步研究, 并测试了以之为电解质, Ni-CeO2为阳极, La(Sr)MnO3为阴极的氢-氧燃料电池(SOFC)的伏安特性. 用能谱(EDAX)分析了测试电池横截面各种元素的分布情况. 结果表明得到的LSGM1020电解质有较高的中温和高温离子电导率, 在不同的温度范围氧离子迁移数均接近于1. 测试电池的最大输出功率密度和最大电流密度分别为67.7mW*cm-2和126.3 mA*cm-2. EDAX结果显示, 作为电解质主元素之一的Ga发生了从电解质到阴极的扩散过程, 而作为阳极主成分之一的Ni也扩散到了电解质中. 电池材料组份之间的相互扩散过程可能是导致测试电池输出功率和电流密度偏低的主要原因. 可以认为, 要使LSGM在SOFC中得到更广泛的应用, 必须改善它的化学稳定性.     

新型双钙钛矿基对称固体氧化物燃料电池的制备及性能

采用柠檬酸-硝酸盐燃烧法制备PrBaFe_2O_(5+δ)(PBFO)和PrBaFe_(1.6)Ni_(0.4)O_(5+δ)(PBFNO)电极材料,用高温固相法制备La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_(3–δ)(LSGM)电解质。以LSGM为电解质,PBFNO及PBFNO-SDC分别为对称电极制备单电池。利用X射线衍射法研究材料的物相结构,交流阻抗法记录界面极化行为,扫描电子显微镜观察电池的断面微结构,用自组装的测试系统评价电池输出性能。结果表明:合成的PBFO和PBFNO粉体呈现单一的钙钛矿结构;Ni掺杂能够明显改善空气气氛下的界面极化行为,800℃时电极–电解质的界面极化阻抗由1.94?·cm~2降低到0.39?·cm~2。通过PBFNO与SDC复合能够明显增大电极的三相反应界面,提高电池输出性能,单电池在800℃时的最大功率输出密度从332mW/cm~2增大到372mW/cm~2。PBFNO-SDC复合电极是潜在的对称固体氧化物燃料电池电极材料。     

固体氧化物燃料电池阳极材料La_xSr_(2–x)MgMoO_(6–δ)的结构与电化学性能

通过柠檬酸络合法合成了La_xSr_(2–x)MgMoO_(6–δ)(LSMM)阳极材料。利用X射线衍射和扫描电子显微镜分析样品的物相结构、微观形貌及与电解质的化学相容性,采用四端引线法测试材料的电导率,利用电化学工作站测试其阳极阻抗特性,并以La_(0.8)Sr_(0.2)Ga_(0.8)Mg_(0.2)O_3(LSGM)为电解质、PrBaCo_2O_(5+δ)为阴极制备了单电池,测试功率密度。结果表明:空气中La的掺杂量小于0.2(摩尔分数)时,还原后La的掺杂量可以达到0.6,La的掺杂导致晶胞体积增大。La掺杂的Sr_2MgMoO_6(SMMO)与电解质LSGM、Ce_(0.8)Gd_(0.2)O_(2–δ)(GDC)在1 250℃煅烧10 h,均没有杂质相生成,具有良好的化学相容性。La掺杂显著提高了SMMO的电导率,800℃、5%H2/Ar气氛中,La_(0.6)Sr_(1.4)MgMoO_(6–δ)的电导率为40 S/cm。La的掺杂降低了阳极材料的极化电阻,提高了电池功率密度。     

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Bi1-xCaxFeO3-δ的制备及其性能

开发具有优异电化学活性的阴极材料对中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)的应用至关重要.采用固相法制备无钴阴极材料Bi1-xCaxFeO3-δ(BCFx,x=0.1、0.2和0.3),通过该体系材料的物相结构、电导率、氧传输特性以及电化学性能研究表明,950℃时可以合成具有单相钙钛矿结构的Bi1-xCaxFeO3-δ...