掺杂对CeO2基电解质材料性能的影响研究进展

掺杂CeO₂基电解质是中低温固体氧化物燃料电池（SOFC）理想的电解质材料。首先阐述了掺杂CeO₂基电解质结构与性能的关系,接着介绍了金属离子掺杂对CeO₂基电解质晶体结构和电子结构的影响,重点综述了单元素掺杂和双元素掺杂对CeO₂基电解质性能的影响。通过分析得出：稀土金属元素单掺杂比碱土金属元素单掺杂更能显著提高CeO₂基电解质的导电性和可烧结性,但稀土氧化物的原料成本要远高于碱土氧化物;双元素掺杂比单元素掺杂具有更多的氧空位无序度和更小的氧离子迁移激活能,因此在提高CeO₂基电解质的离子电导率方面更有优势。总结了CeO₂基电解质材料的掺杂规律及构效关系,以期对制备出性能更加优异的CeO₂基电解质起到一定的指导作用。     

固体氧化物电池氧离子电解质研究进展

固体氧化物电池(SOCs)作为一种绿色、高效的全固态能量转换装置,既能在燃料电池模式下将氢、碳、烃、醇等燃料的化学能转化为电能,又能在电解池模式下分解水制氢,在缓解全球能源危机、实现碳中和等方面具有重要意义。然而,SOCs常用的Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)电解质材料在1 000 ℃以上才具有较高的离子电导率,但过高的工作温度会提高运行成本,限制材料选择,并降低系统稳定性。因此,降低工作温度一直是SOCs发展的核心问题之一,开发高电导率电解质材料和降低电解质膜厚度是实现SOCs中低温化应用的主要路径。本文从材料开发和薄膜制造两方面对中低温SOCs各类氧离子电解质的研究进展进行梳理,针对ZrO₂、CeO₂、Bi₂O₃及LaGaO₃基固体电解质,系统阐述了异价离子掺杂对提升氧离子电导率和稳定相结构的作用机制,介绍了电解质薄膜的制备技术和导电性能,为发展高性能固体氧化物电池电解质材料提供参考依据。     

纳米ScSZ基电解质中低温导电性研究进展

固体氧化物燃料电池（SOFC）适用于多种燃料气体,高效清洁,是最有前景的燃料电池之一。氧化钪（Sc₂O₃）掺杂二氧化锆（ZrO₂）系列（ScSZ）使氧化锆基电解质表现出优异的离子导电性。ScSZ基电解质晶粒纳米化呈现出了很好的电学性能而得到广泛深入的研究。但是ScSZ基电解质在中低温下会发生相变,产生低导电性的菱形相而影响其离子电导率。系统总结了单元或二元氧化物掺杂ScSZ电解质在中低温下的物相、晶体结构及电导率。多元氧化物复合掺杂ScSZ可有效防止在中低温下发生相变、稳定立方相ScSZ。采用不同方法制备纳米ScSZ基电解质,可很好地提高电解质的电导率。提出了ScSZ系列在中低温范围内（600~800 ℃）的发展方向：优化掺杂成分和掺杂量提高晶粒晶界电导率,使用不同工艺制备纳米电解质或不同制备方法制备新型结构电解质材料。     

对称结构固体氧化物燃料电池研究进展

当采用碳氢化合物作为燃料时,具有同种电极材料的对称固体氧化物燃料电池(Symmetric Solid Oxide Fuel Cell,SSOFC)通过阴极和阳极的周期性转换,提高了阳极的抗焦化和抗硫中毒能力。通过对近几年来对称电极的分类和整理,总结了已有对称电极的优缺点。综合分析表明,发现适用于除了La_0.8Sr_0.2Ga_0.8Mg_0.2O_3-δ(LSGM)电解质的单相稳定氧化物对称电极或者开发出新的对称电极材料是必要的。     

水热原位生长制备致密氧化铈基固体氧化物燃料电池隔离层

面向高性能固体氧化物燃料电池(SOFC)低成本制备及长寿命运行需求,提出了一种致密氧化铈基隔离层的制备方法。将阳极支撑半电池的Y₂O₃稳定ZrO₂(YSZ)电解质浸没于硝酸钆和硝酸铈水溶液中,并在180℃水热条件下处理36 h,获得了原位生长的致密Gd₂O₃掺杂CeO₂(GDC)薄膜;进一步将其与La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3–δ阴极在1 075℃共烧结,得到阳极支撑SOFC单电池。结果表明,水热原位生长制备的GDC隔离层连续且致密,组成约为Gd_0.044Ce_0.956O_2–δ,厚度约为0.23μm;阳极支撑单电池在750℃的欧姆阻抗约为0.101Ω·cm²,相较于传统丝网印刷GDC隔离层单电池降低了约38%,在室温加湿氢气燃料下的最大功率密度达到...     

钙钛矿型中温固体氧化物燃料电池阴极材料

中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)的研制是固体氧化物燃料电池(SOFC)商业化的必然趋势，影响其发展的关键问题是阳极材料、阴极材料和电解质材料的研制。钙钛矿结构稀土复合氧化物材料是最有希望的中低温固体氧化物燃料电池阴极材料，本文对钙钛矿结构的稀土复合氧化物阴极材料的导电机理、合成方法以及近年来国内外研究较多的ABO、型阴极材料的相关研究作了较为详细的叙述，并提出了其发展方向。     

具有复合电解质的低温固体氧化物燃料电池研究进展

高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的低温化对于解决材料的稳定性、提高系统运行寿命和降低电池成本具有重要的意义,已成为近几年的研发热点。在实现SOFC低温化方面,目前国内外研究学者提出了不同的解决策略。综述了低温固体氧化物燃料电池(LT-SOFC)中复合电解质的研究进展,其包括引入碳酸盐材料作为第二相进行复合,构建类熔融碳酸盐固体氧化物燃料电池;引入过渡金属氧化物材料作为第二相进行复合,制备单组分燃料电池消除电极与电解质界面电阻提高电池性能,尤其是全氧化物复合电解质提高电池稳定性策略;引入半导体材料复合进一步提升LT-SOFC的电化学性能等几个方面。最后阐述了通过制备新型纳米复合材料进一步提升电解质离子电导率,改善界面接触问题以及探索新的电极材料对LT-SOFC电化学性能的影响。     

氧化锆基固体电解质研究

电解质是固体氧化物燃料电池（SOFC）的核心部件,其性能的优良直接决定燃料电池的应用前景。氧化锆基陶瓷具有较高的离子电导率、良好的结构和化学稳定性,是理想的固体电解质材料。本文综合介绍了各种掺杂元素对氧化锆基固体电解质性能的影响,电解质薄膜制备方法和研究现状。并对氧化锆基固体电解质的研究方向进行了展望。     

固体氧化物燃料电池双钙钛矿阴极材料PrBaCo2O5+δ的掺杂改性

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种清洁、高效的能量转换装置,其性能受制于阴极的氧还原反应,钴基双钙钛矿氧化物PrBaCo₂O_5+δ具有较高的氧表面交换系数和体扩散系数,是近年来备受重视的阴极催化材料。然而,PrBaCo₂O_5+δ在SOFC中的应用受到热膨胀匹配性差等的制约,为此,大量的工作研究了PrBaCo₂O_5+δ的掺杂改性。本文综述了各种掺杂研究,按照掺杂位置分别总结了Pr位、Ba位、Co位和O位的掺杂元素和掺杂量,结合钙钛矿的容忍因子,讨论了掺杂对PrBaCo₂O_5+δ性能的影响,包括晶体结构、氧的非化学计量δ、电导率、热膨胀系数、氧传输性能和电化学性能等。     

固体氧化物燃料电池的关键材料概述

固体氧化物燃料电池(SOFCs)因具有能量转换率高、燃料适应性强、环境友好和操作方便等优点,受到了人们的普遍关注,但是SOFCs的广泛应用还有待于其关键材料的进一步发展。本文系统的介绍了固体氧化物燃料电池对关键材料——电解质材料、阳极材料、阴极材料的要求及其研究现状,并提出了固体氧化物燃料电池在其关键材料方面的一些有待解决的问题。     

Thermodynamic Stability of Gadolinia-Doped Ceria Thin Film Electrolytes for Micro-Solid Oxide Fuel Cells

Next-generation micro-solid oxide fuel cells for portable devices require nanocrystalline thin-film electrolytes in order to allow fuel cell fabrication on chips at a low operation temperature and with high power outputs. In this study, nanocrystalline gadolinia-doped ceria (Ce_0.8Gd_0.2O_{1.9− x} ) thin-film electrolytes are fabricated and their electrical conductivity and thermodynamic stability are evaluated with respect to microstructure. Nanocrystalline gadolinia-doped ceria thin-film material (Ce_0.8Gd_0.2O_{1.9− x} ) exhibits a larger amount of defects due to strain in the film than state-of-the-art microcrystalline bulk material. This strain in the film decreases the ionic conductivity of this ionic O²⁻ conductor. The thermodynamic stability of a nanocrystalline ceria solid solution with 65 nm grain size is reduced compared with microcrystalline material with 3–5 μm grain size. Nanocrystalline spray-pyrolyzed and PLD Ce_0.8Gd_0.2O_{1.9− x} thin films with average grain sizes larger than 70 nm show predominantly ionic conductivity for temperatures lower than 700°C, which is high enough to be potentially used as electrolytes in low to intermediate-temperature micro-solid oxide fuel cells.     

克劳斯工艺防腐蚀涂层数值模拟

燃料、烟气中的高浓度硫化氢以及液滴对克劳斯工艺中燃烧设备有严重的腐蚀和冲蚀作用,很容易引发大型生产安全事故。液滴的冲蚀在金属受热面壁面产生细微裂纹是化学腐蚀的起点。涂层能够防止化学腐蚀,本文通过建立数学模型准确描述了克劳斯硫黄回收工艺中液滴撞击防腐蚀涂层的过程,运用离散迭代方法对整个计算区域进行求解,得到了撞击过程中防腐蚀涂层内部、涂层与固体黏结面以及固体内部的应力分布,确认了涂层方案能够在克劳斯硫黄回收工艺中解决金属受热面液滴冲蚀的问题;同时研究了不同厚度的涂层对应力分布的影响,得出了量纲为1最大应力与撞击速度之间的经验公式,提出采用20μm厚的氮化硅涂层是经济高效的克劳斯工艺壁面保护措施。     

Microstructure and Oxide Ion Conductivity in a Dense La9.33(SiO4)6O2 Oxy-Apatite

Oxy-apatites are one of the most promising oxide ion conducting electrolytes for intermediate-temperature solid oxide fuel cells, those operating close to 950 K. La_9.33(SiO₄)₆O₂ has the simplest stoichiometry among the oxy-apatite family of compounds, and the range of oxide ion conductivity reported for dense ceramic pellets is very high, almost two orders of magnitude at a given temperature. The spread in conductivity values including porous pellets is obviously larger. Here, we show that dense pellets of La_9.33(SiO₄)₆O₂ ceramics prepared by three different methods, conventional, spark plasma, and reaction sintering (RS), have different bulk conductivities. Bulk activation energies are equal for all the samples studied. Furthermore, the grain boundary conductivity cannot be described by the simple brick-layer model. These experimental findings suggest segregation at the grain boundary region, with slightly different compositions for different sintering conditions, likely leaving the grain interior with a compositional gradient. A two-step RS led to dense pellets with the highest bulk and grain boundary oxide ion conductivities.     

硫酸银对氯离子环境下Alloy690缓蚀特性的电化学分析

针对Alloy690在局部腐蚀过程中氯离子的自催化腐蚀作用,提出了利用Ag₂SO₄作为缓蚀剂防止氯离子对Alloy690的局部腐蚀。首先利用Tafel极化曲线和电化学阻抗谱,分析了将不同浓度的Ag₂SO₄加入到0.005 mol·L^-1的NaCl 溶液对Alloy690的缓蚀效率和表面结构的影响;然后通过X射线光电子能谱（XPS）对样品表面钝化膜的组成进行了分析,并与电化学阻抗谱分析结果进行了对比。研究结果表明：在Ag₂SO₄浓度较低时,它与氯离子形成络合物可有效降低腐蚀溶液中氯离子的活动性,并且这些络合物会覆盖在Alloy690表面,抑制了Alloy 690的阳极氧化过程,改变了电极表面双电层结构,有良好的缓蚀效果。     

Humic Acids as a Complexible Fuel for Combustion Synthesis of Ceramic Nanoparticles

A novel combustion synthesis of ceramic powder has been developed using humic acids (HA) as the complexible fuel. Synthesis of mixed oxide (Sm_0.5Sr_0.5CoO₃ (SSC)) ceramic nanoparticles was chosen to illustrate synthetic procedures. SSC nanoparticles obtained by combustion of HA–metal complexes exhibited particle sizes of 50–100 nm, and good electrochemical performance as the cathode material for solid oxide fuel cells. The process of using renewable HA as the complexible fuel is of low cost, and thus suitable for sustainable production of various oxide ceramic materials.     

STABILITY OF NONAQUEOUS ELECTROLYTES FOR AMBIENT TEMPERATURE RECHARGEABLE LITHIUM CELLS

Three tests have been used lo determine the stability of solutions of two nonaqueous solvents, propylene carbonate and 2-methyl-tetrahydrofuran and their solutions of LiAlCl₄. LiAsF₆ and LiClO₄ in contact with lithium. The procedures identify the effect of surface layers, open-circuit stand, anodic and cathodic polarization. They employ (1) contact with liquid Li amalgam and solid sheet Li; (2) open circuit potential measurements of cathodic deposits and (3) anodic dissolution of deposits with ramped potential. The stability of solvents is found to depend on the dissolved electrolyte. Polymeric materials containing other products of the reaction between metal and electrolytes have been identified by X-ray diffraction.     

Solid oxide galvanic cells involving exchanged beta-alumina electrolyte

Fe(II), Cu(I), Cu(II), and Zn(II)-exchanged beta-aluminas have been prepared and tested as solid electrolytes in oxide galvanic cells. The values of free enthalpies of Fe₃O₄, CuCrO₂, CuCr₂O₄, and Zn₂SiO₄ of formation at 1070 K have been calculated from the emf results. The reasonable agreement with literature data has been found for all compounds under study.     

CCUS环境下水泥单矿C3S的CO2腐蚀动力学研究

在碳捕集、利用和封存(CCUS)井下,油井水泥因长期受井下高温、高压和高酸性流体的作用会遭受碳化腐蚀导致水泥环失效。为了模拟CO₂地质封存井下碳化腐蚀环境,本文将油井水泥的主要单相矿物硅酸三钙(C₃S)置于不同温度(30 ℃、60 ℃、90 ℃),并密封在8.0 MPa的气相或液相的CO₂碳化环境下,采用XRD和TGA相结合的分析方法,分析水泥单矿C₃S受CO₂腐蚀环境的影响规律。根据非稳态Fick扩散的渗透理论模型,建立腐蚀产物定量分析结果与腐蚀龄期的数学模型,拟合得到C₃S受CO₂腐蚀后的产物生成系数,以此评价不同CO₂腐蚀因素对C₃S的影响程度。结果表明:在CO₂气相环境中,温度升高将显著加剧对C₃S的腐蚀且产生溶蚀现象;而在CO₂液相环境下,高温(90 ℃)使C₃S水化反应加剧并形成阻滞层,降低CO₂对C₃S的腐蚀速率。