用于中温燃料电池和超导块体的纳米粉制备与材料性能研究

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1、北京科技大学博士学位论文摘要由于固体氧化物燃料电池(SOFCs)具有很高的能源效率和极低的污染排放，成为举世公认的2l世纪重要的的绿色能源。目前SOFCs通常使用的电解质是钇稳定化的二氧化锆(YSZ)氧离子导体。需要在10000C运行才能达到所需要的电导率。如此高的操作温度使得材料的选择和电池的制造以及稳定性都面临很大的困难，这些问题阻碍了其商业化的发展。因此，近来发展在中温区(600-8000C)具有高离子电导率的替代材料以及薄膜化技术(降低电解质的体电阻)引起广泛关注。降低操作温度的关键是寻找新型电解质，例如掺杂的C002，LaGa03

2、和BaCe03等具有高离子电导率的材料，并且发展以阳极为基底的电解质薄膜化制备技术。大尺寸123相超导单畴具有重要的科学和技术价值。控制2ll相粒子的分布和大小是制备REBCO型单畴的一个重要问题。临界电流密度(正)的大小强烈依赖于超导块体的微观结构。引入过量的RE2BaCu05(RE211)非超导相有利于提高正，其中弥散在REBa2Cu30y(REl23)基体中的RE21l粒子可以作为强钉扎中心。控制RE211初始粉体的大小可以有效地控制最后块体中RE21l粒子的大小，由此提高临界电流密度五。在促进和改善SOFCs和超导块体性能方面，纳米

3、材料具有非常重要的作用。SOFCs和超导块体用的主要原材料均是固体陶瓷材料，其组件的制备和性能依赖于材料的微观结构，而微观结构是取决于所用的粉体本身的性质和烧结性能。粉体的尺寸、分布以及团聚程度对于烧结性能以及烧结体的微观结构都有着直接的重要影响。因此，本论文立足于几种中温SOFCs粉体和高温超导块材用的Gd211粉体的制备，开展了一系列研究工作。主要工作包括以下几个方面：(1)用柠檬酸盐LCS(Low-temperatureCombustionSynthesis)法制备了Ceo．8Sm02019(sDc)纳米粉体。粉体具有良好的烧结性能，

4、在1300"(2煅烧10h，烧结样品的相对密度为97．7％。烧结体具有良好的电导率，800"C时，其离子电导率为7．6xi0。S／an。用离心沉积法在Ni．SDC阳极基底上制备了厚度为20lan的SDC薄膜。以Lao．6Sr041：e00C0020‰(LSFC)为阴极，制备了阳极支撑的固体氧化物燃料电池。以北京科技大学博士学位论文湿润氢气为燃料，空气为氧化剂测试了电池性能。在600，700，800℃单电池的最大功率分别为299、405和545mW／cm2。(2)采用新颖的微波水热法(MH)制备了纳米级SDC粉体。粉体无团聚，在FESEM下观

5、察粉体呈球形，粒径为20rim左右。讨论了pH值、反应时间、填充度和金属离子浓度等条件对产物的影响。该方法具有反应时间短，合成温度低，易于操作以及节能等优点，具有良好的应用前景。采用离心沉积法在Ni．SDC阳极基底上制备了厚度为20岬的SDC薄膜，以LSFC为阴极构造了单电池。单电池的最大功率在800"C时达到628mW／om2，开路电压为0．787V。(3)利用柠檬酸盐LCS法制备了La09SroIGao．sM90203．6(LSGM)纳米粉体，粒径大约为40-50rim。粉体在800℃焙烧2小时即可得到钙钛矿相。粉体具有良好的烧结性能，

6、在1400℃和1500℃煅烧10h烧结样品的相对密度分别为95％和96％。800"C时，其离子电导率为8．2xloas／m。用离心沉积法在Ni．SDC阳极基底上制备了厚度为60tun的LSGM薄膜，以LSFC为阴极构造了单电池。单电池的最大功率在800"C时达到730mW／on2，开路电压为0．84V。(4)利用柠檬酸盐LCS法制备了一系列稀土掺杂的BaCeo8YxNdoh03每(x=0-0．2)纳米粉体。550℃焙烧2小时后得到了粒径为10-20rim左右，大小均匀的球形粉体。所有的掺杂固溶体均形成了钙钛矿相。电导率测试结果表明，双掺杂样

7、品比单一掺杂的样品要高出几倍，其中BaCeor8Yo．15Ndo．0503．6．在800"C时电导率可达9．8x10之S／on。这些双掺杂样品成为很理想的中温电解质材料。以Ni-BaCeo．sY0203．6为阳极基底，BaCeosYxNdohO粥为电解质，用离心沉积法制各了厚度为30ttm的薄膜。用Lao．6C8041：e08cooA_8(LCFc)为阴极构造了单电池，开路电位均接近于理论值。其中，BaCeo．8Yo．15Nd00503占为电解质时输出功率最大，800"C时达到390mW／cm2，是单一掺杂样品的2．3倍。(5)以含有Ba、

8、Ca和Nb的柠檬酸盐混合物，利用柠檬酸盐LCS法制备了Ba3(Cal．1aNbl．跎)094BCNl8)纳米粉体。粒径为20-30rim左右。XRD结果表明，粉体在800"C焙烧