铁基钙钛矿燃料电池Ba0.95La0.05FeO3-δ阴极催化剂的电催化性能

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中温固体氧化物燃料电池(SOFC)由于其无污染,高能量转化效率而受到人们的广泛关注。混合-离子电导率(MIEC)材料是用于固体氧化物燃料电池(SOFC)的有希望的氧还原阴极。本文以钛矿型氧化物的混合离子-电子导体(MIEC)Ba0.95La0.05Fe O3-δ(BLF)作为研究对象,分别利用不同过渡金属低价态金属离子(Cu2+/Zn2+)和高价态金属离子(Ta5+)对B位进行掺杂。成功地合成了Ba0.95La0.05Fe1-xCuxO3-δ,Ba0.95La0.05Fe1-xTaxO3-δ和Ba0.95La0.05Fe1-xZnxO3-δ系列阴极材料,并对其进行了详细的结构表征及电化学性质研究。主要研究内容如下:采用传统高温固相法合成了Ba0.95La0.05Fe1-xCuxO3-δ(x=0.05,0.10,0.15)阴极材料。通过XRD测试结果表明Cu元素的掺杂形成了空间群为Pm3m的立方对称钙钛矿氧化物Ba0.95La0.05Fe1-xCuxO3-δ。所有材料与电解质Ce1.9Gd0.1O1.95(CGO)在高温下进行长时间烧结,均表现出了良好的高温化学相容性,不会发生化学反应。Cu的引入提高了Ba0.95La0.05Fe O3-δ材料的氧空位浓度,并且提高了它的电导率,在450°C达到最大电导率值28.25 S cm-1。在700°C时,Ba0.95La0.05Fe0.85Cu0.15O3-δ(BLFC015)阴极的极化电阻为0.091Ωcm2,在输出电压为0.53 V时带有BLFC015阴极的单电池的功率密度为1.05 W cm-2。在经过不同CO2浓度测试的条件下,BLFC015阴极显示出令人满意的CO2耐受性和化学稳定性。这些结果表明Ba0.95La0.05Fe1-xCuxO3-δ系列阴极是一种有希望的IT-SOFCs阴极。采用高温固相法合成了Ba0.95La0.05Fe1-xTaxO3-δ(x=0.1,0.2)系列阴极材料。系统的评估其作为IT-SOFCs阴极材料的实际应用。结果表明少量Ta掺杂可有效地稳定Ba0.95La0.05Fe O3-δ材料的立方相钙钛矿结构,还可以改善ORR电催化性能。其中,Ba0.95La0.05Fe0.9Ta0.1O3-δ(BLFT010)阴极具备最优异的电化学性能,在700°C时具有最低的极化电阻为0.133Ωcm2,并且以BLFT010作为阴极的单电池峰功率密度为751.7 m W cm-2。此外,BLFT010阴极在不同CO2浓度测试的条件下,表现出了优异的CO2耐受性能。采用溶胶-凝胶方法合成了Ba0.95La0.05Fe1-xZnxO3-δ(x=0.05,0.10,0.15)阴极材料。研究发现Zn离子的掺杂有效地稳定了Ba0.95La0.05Fe O3-δ材料的立方相结构。电化学测试结果表明Ba0.95La0.05Fe0.9Zn0.1O3-δ(BLFZ010)阴极是具有杰出的电化学性能,在700℃时具有最小的极化电阻0.109Ωcm2,以BLFZ010作为阴极的电解质支撑的单电池的峰功率密度为274.9 m W cm-2,并具有优秀的长期稳定性。
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