固体氧化物燃料电池电解质和电极材料研究

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1、中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文作者姓名：指导教师：学位类别：学科专业：研究所：睦塞星班冠虽王2E翅班宜虽生亘型堂睦翅堡班殛压翌望蠖±避鐾盔物理虫垦抖望医塑堡硒冠压2013年5月forSolidOxideFuelCellsByShuaiLiADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyInstituteofPh

2、ysicsMay,2013献给李明圆摘要固体氧化物燃料电池是一种能量转化装置，可以将燃料中的化学能直接转化成电能，清洁高效。本论文主要研究了固体氧化物燃料电池的电解质和电极材料。Ce02基材料用于固体氧化物燃料电池需要解决两个问题：第一，降低烧结温度；第二，提高氧离子电导，同时降低电子电导。第二章研究了Li20作为一种烧结助剂，对Ce0．sSmo．202．6(SDC)电解质的助烧作用和助烧机理。Li2C03分解产物Li20起到显著降低SDC致密化温度的作用。Li20对SDC晶界电导的影响较大。Li20在SDC晶界处高温熔融继而挥发，是典型的液相烧结机理。第三章研究了Eu掺杂Ce02纳米材

3、料的导电和催化性能。理论计算表明Eu掺杂可显著降低Ce02晶格内氧空位生成能。我们的实验表明，低价态大尺寸Eu3+离子取代Ce4+后，会在Ce02中引入氧空位并导致晶格膨胀。拉曼分析表明掺入少量Eu(5t001．％)即可在Ce02中引入大量氧空位。Eu掺入Ce02中引入氧空位因而使电导率得到显著提高；但是合适的氧空位含量才有利于获得较高的电导率，而过多的氧空位会互相或与其他缺陷结合从而失去自由迁移能力。EDCl0纳米材料对H2．TPR和CO氧化都有很高的催化性能，这是由于氧空位的出现提高了表面氧的交换和体相氧的迁移能力。Eu．Ce02纳米材料有望用于固体氧化物燃料电池阳极。第四章和第五章

4、研究了具有混合离子电子电导及催化性能的双钙钛矿结构Sr2CoM006阳极在CH4燃料中的衰减问题，以及Sr2CoM006作为对称电极在氧化／还原循环处理中的稳定性问题。(1)在氧化气氛中制备的Sr2CoM006，晶格中阳离子和氧都呈高度有序排列；还原处理后阳离子有序排列不变，而氧的有序性消失。在变温过程中材料14／m与Fm．3m之间的相转变也受到气氛的影响，在低氧分压气氛中升降温，晶格失氧导致金属离子的配位结构发生改变，晶体结构不能完全恢复初始态。还原处理导致金属Co和Sr3M006从主相中分离出来，Co的配位结构发生变化，Mo的平均价态降低。(2)还原预处理可显著提高Sr2CoM006

5、对CH4的吸附能力，并且使其具有与CH4反应的活性，其反应产物中国科学院物理研究所博士论文碳基固体氧化物燃料电池电解质和电极材料研究为Sr3M006，C06M06C2和M02C。还原处理时Mo平均价态降低，晶格中失去氧形成Mo=O键，Sr2CoM006对CH4的吸附能力源于Mo=O键O表面的孤对电子；催化活性源于Mo’+／M06+离子对之间的电子转移。(3)验证了以Sr2CoM006为电极的对称结构电池在H2中长时间运行的稳定性。(4)在CH4中衰减的Sr2CoM006阳极，重新通入H2后性能可恢复。(5)电池在CI-h阳极气体中衰减的原因可能是：阳极表面吸附了大量的CH4，占据了阳极反

6、应活性位，再通入H2可以将阳极表面吹洗干净；CH4裂解导致在阳极表面积碳；Sr2CoM006本身结构不稳定，以及它与电解质材料之间的界面反应，导致阳极材料结构塌陷。这些结果有助于固体氧化物燃料电池的研究。关键词：固体氧化物燃料电池二氧化铈阳极Sr2CoM006有序结构摘要AbstractSolidoxidefuelcell(SOFC)isadevicethatdirectlyconvertscleanchemicalenergyoffuelgasintoelectricalenergywithhighefficiency．Thisthesisismainlyfocusedontheele

7、ctrolyteandelectrodematerialsforSOFC．TwoissuesremainunsolvedforconventionalCe02basedelectrolytematerials，namely，reducingsinteringtemperatureandimprovingoxygenionconductivity．InchapterII，investigationiscardedoutbyadding