B位掺杂对(La0.25Sr0.75)0.9TiO3-δ的高温化学稳定性影响机理研究

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燃料电池作为新能源中的一个重要的分支具有清洁高效的优点,其中固体氧化物燃料电池(SOFC)由于使用全固态组件避免了使用电解液带来的腐蚀问题,以及燃料使用的多样性等特点而受到广泛关注。SOFC的关键组件为阳极、电解质、阴极。传统使用的阳极材料为金属陶瓷阳极,Ni/YSZ是最常见的金属陶瓷阳极,这种阳极材料的特点是电导率高,催化活性好,以氢气为燃料时表现出了优越的电化学性能;但是以天然气及煤合成气为燃料时,Ni/YSZ阳极会出现严重的积碳现象,对天然气中的含硫气体耐受性差。钙钛矿阳极La掺杂的SrTiO3(LST)由于其较高的电子导电性、与电解质材料相匹配的热膨胀系数,以及在氧化还原气氛下具有物理化学稳定性受到了关注。LST在使用碳氢燃料时没有明显积碳现象,同时对硫的耐受力强。但是其缺点是催化活性不佳且和锆基电解质材料之间高温化学稳定性存在问题。化学计量的LST和锆基电解质之间有明显的化学反应发生,生成催化活性差且电导率很低的La2Zr2O7从而使得电池发电性能显著降低。虽然引入A位缺陷能很好地抑制完整化学计量LST与锆基电解质之间的高温化学反应,但二者之间仍存在元素相互扩散现象,这种元素扩散使得阳极三相界面处的LST和电解质材料成分发生变化从而引起电池性能衰减。为了提高A位缺陷LST和锆基电解质之间的高温化学稳定性,本文通过在LST的B位掺杂的方式抑制A位缺陷(La0.25Sr0.75)0.9TiO3-δ((LS)0.9T)与ScSZ电解质之间的相互扩散现象。对B位掺杂不同元素的(LS)0.9T材料与锆基电解质之间的高温化学稳定性做了深入研究,对其中高温化学稳定性较好的材料进行电性能测试。(1)以溶胶凝胶法合成(LS)0.9T、(LS)0.9T0.9A0.1(LS)0.9T0.9G0.1、(LS)0.9T0.9S0.1,从XRD物相分析结果可知,1200℃焙烧后各个粉体都形成很好的立方结构钙钛矿相,没有杂相生成。对1450℃烧结后的一系列LST的SEM表面形貌分析结果显示,烧结特性都比较好。相对密度计算结果和SEM分析基本一致。(2)将制备的一系列B位掺杂LST和ScSZ混合压片后在1200℃空气气氛中进行了 30小时的退火实验。退火实验结果表明B位掺杂显著影响了(LS)0.9T的高温化学稳定性,其中(LS)0.9T0.9A0.1的变化最为明显,在1200℃下30小时的退火实验后,(LS)0.9T0.9A0.1与ScSZ之间既没有发生化学反应生成新相,也没有明显的相互扩散现象发生,两种材料都很好的保持原有的立方结构。(3)分别对(LS)0.9T/ScSZ、(LS)0.9T0.9A0.1/ScSZ阳极材料进行了单电池性能测试,测试结果显示以(LS)0.9T/ScSZ为阳极的单电池经过5小时的性能测试,其输出的电流密度出现了明显的衰减。而以(LS)0.9T0.9A0.1/ScSZ为阳极的单电池初始性能较低,但输出电流密度随测试时间逐渐增加,交流阻抗结果显示其极化阻抗随测试时间增加明显减小,说明(LS)0.9T0.9A0.1/ScSZ是一种很有潜力的SOFC阳极材料。
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