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固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种可以将化学能转化为电能的系统,具有洁净、高效和环保的优点,在能源枯竭的21世纪具有很好的应用前景。为了实现固体氧化物燃料电池的商业化,必须将传统固体氧化物燃料电池的工作温度降低至600-800℃。降低工作温度能提高电池材料的可靠性及稳定性,降低电池运行的成本。然而,降低工作温度同时会大幅度降低电极的催化活性,因此开发中低温下催化活性及稳定性都较好的电极材料成为当前中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)研发的重点。 La0.8Sr0.2MnO3-δ(LSM)是目前研究较为成熟的高温SOFC阴极材料,它具有高催化活性,高电子电导率,与常用电解质YSZ热膨胀系数匹配及高稳定性等特点。但是,由于LSM几乎是一个纯电子导体,随着温度降低,它的极化电阻迅速增大,限制了其在IT-SOFCs中的应用。Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ(BSCF)是一个混合电子离子导体(MIEC),因它在中低温下优越的电化学性能而被广泛的用于IT-SOFC阴极材料的研究,但是与LSM相比,其电子导电率较低,化学稳定性较差,不适合长期运行。针对这种情况,本文在LSM中添加BSCF制备LSM/BSCF复合电极,探索了不同质量计量比的传统复合阴极LSM+BSCF作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料的可能性,并通过固溶包覆法制备LSM-BSCF复合电极,优化电极性能,稳定电极结构。 本文采用溶胶-凝胶法制备了LSM、BSCF粉体,并探索了螯合剂的选择、PH值的调节以及煅烧温度对粉体合成工艺的影响。通过XRD物相分析表示所制备的粉体均含有纯净的钙钛矿结构,且LSM和BSCF在1000℃及以下具有很好的化学相容性。通过丝网印刷法制备了BSCF阴极,通过SEM、EIS以及电流极化稳定性测试,说明BSCF阴极在中低温下极化电阻较小,具有很好的电化学性能,但是在阴极电流极化下,BSCF结构不稳定,导致其电极性能极大的衰减,650℃,-200mA cm-2的阴极电流下,其极化电阻在60min内由0.32Ωcm2增大至0.8Ωcm2。 采用传统复合方法制备了具有不同质量计量比的LSM+BSCF复合阴极,通过EIS分析得到当LSM与BSCF的质量比为50wt%:50wt%时,极化电阻最小,600、650、700、750℃下分别为0.99、0.51、0.24和0.11Ωcm2。结合SEM和电流极化测试分析了LSM5+BSCF5复合阴极在极化320min前后的微观结构及电化学性能,650℃,-200mA cm-2的阴极电流下,其极化电阻由0.51Ωcm2增大至2.2Ωcm2。 结合传统复合阴极LSM5+BSCF5的电极结构及性能,本文提出了使用固溶包覆法制备LSM包覆BSCF的质量比为50wt%:50wt%的LSM-BSCF复合粉体,并采用丝网印刷法制备LSM-BSCF阴极,采用XRD、XRF分析其相结构及元素组成,在1000℃煅烧2h后得到纯净的LSM、BSCF和GDC相,且其中LSM和BSCF的质量分数均为50wt%,说明使用固溶包覆法可以制备出具有精确比例的复合粉体。 通过电流极化测试前后微观结构分析可知,LSM颗粒包覆在BSCF的表面,不仅减小了BSCF暴露在空气中的面积,缓解它的CO2中毒现象,还能够有效地抑制BSCF颗粒在高温电流极化下长大烧结的缺点,从而保持电极结构的稳定。600℃、650℃、700℃和750℃下LSM5-BSCF5复合阴极的极化阻抗值分别为0.61、0.44、0.18和0.09Ω cm2,导电活化能为92KJ/mol。在650℃、-200mA/cm2的阴极电流极化条件下,阻抗呈现先减小后增大的趋势,200min后基本稳定,为0.80Ω cm2,与测试前增大了近一倍。与传统复合阴极LSM5+BSCF5以及文献中报道的BSCF浸渍LSM复合阴极LSM/BSCF相比,已大幅度提高了它的工作稳定性。通过等效电路分析,在LSM-BSCF的电极过程中,高频对应的电荷转移过程是控制电极反应的主要步骤。