阴极材料SrCo0.8Ti0.2-xNbxO3-δ的制备及在SOFC中的性能评价

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固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接将化学能转换成电能的高效、环保、通用的发电装置。传统的SOFC在800℃-1000℃的高温下操作,限制了材料的选择且花费成本高,不利于商业中大规模的生产,所以降低到600℃-800℃的工作温区来探究中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)成为如今主要的发展趋势,而温度的降低会影响阴极的氧输运性能,所以探寻一种高效的阴极材料对IT-SOFC来说至关重要。在众多的阴极材料中,ABO3类的钴酸锶(SrCoO3-δ)立方钙钛矿氧化物具有极高的电导率和氧气渗透率,但它存在钙钛矿相结构不稳定的缺陷,所以本文主要运用在B位掺杂的办法来改善其性能。论文利用固相法制备SrCo0.8Ti0.2-xNbxO3-δ(SCTNx)阴极粉体,然后通过XRD测试来分析它的物相结构,发现经过1150℃烧结10小时合成的SCTNx阴极粉体已形成立方钙钛矿结构,并且随Nb掺杂比例的增多,晶胞体积逐渐变大。为了探究此阴极材料和电解质SNDC的相容性,将SCTN0.1和SNDC按1:1的比例混合研磨制得复合阴极SrCo0.8Ti0.1Nb0.1O3-δ-SNDC进行表征,从XRD图谱中看出此复合阴极只保留着电解质和单相阴极各自的物相结构,衍射峰是SCTN0.1和SNDC相的叠加,没有产生其它的杂峰,则说明了它们之间并没有产生化学反应,即此阴极粉体与电解质之间的化学相容性很好。然后用丝网印刷涂覆法制备出SCTN)x/SNDC/SCTN)x对称半电池,通过交流阻抗谱测试和微观形貌测试来研究烧结温度和不同的Nb、Ti的掺杂比例对此阴极的影响,表明了在850℃下烧结5小时制成的半电池的极化阻抗最小,约0.07595Ω·cm2,说明了煅烧温度对阴极的电化学性能有很大的作用,最佳的煅烧温度有利于于阴极晶粒的成长,从而使阴极具有适当的孔隙率,增加其电化学反应活性。当Nb逐渐增多时,对称电池的交流阻抗值先减小后增大,在掺杂量x=0.05时,对称电池的交流阻抗值达到最小,约为0.03665Ω·cm2,从而得出,在x=0.05,烧结温度为850℃时,得到性能最佳的SCTNx阴极材料。为进一步说明此材料的可行性,制备出了电解质支撑的单电池,测出单电池在800℃C的极化阻抗为0.0905Ω ·cm2,最大功率密度为268.51mW·cm-2,具有良好的电化学性能。所以,证明了SrCo0.8Ti0.2-xNb)xO3-δ阴极材料是一种很有潜力的IT-SOFC阴极材料。
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