复相电泳沉积的沉积机制及其在SOFC制备中的应用

发布时间：2020-06-30 07:21

【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型的全固态发电装置,具有能量转换率高、环境污染小等优点。由复相Ni-YSZ陶瓷制成的阳极在保留了金属阳极的导电性和催化性的同时,还有效增强了阳极与电解质之间的热匹配性,是制备SOFC 阳极的首选材料。电泳沉积是一种优异的表面涂层或陶瓷成型技术,适用于各种不同悬浮液体系。通过调控电极和工艺参数精确控制颗粒的沉积位置,可以实现对材料的组成和结构的控制。电泳沉积制备复相材料具有巨大优势,也存在急需解决的难题。本论文以NiO、YSZ和PS为原料,探究各复相体系下电泳沉积的影响因素,并以此调控复相材料的结构和性能。主要研究结果如下:1.研究了复相悬浮液性质对电泳沉积的影响机制。采用不同性质的阳极粉体作为原料配置单、复相悬浮液,研究了悬浮液电导率、颗粒zeta电势及颗粒大小对沉积形貌、质量、电流密度等影响。结果表明:在沉积电场的作用下,悬浮液中颗粒双电层被减薄并发生变形,沉积电压越大越容易实现沉积。在沉积过程中,颗粒堆积的紧密程度是由颗粒沉积的难易程度和颗粒尺寸共同决定,而颗粒堆积的紧密程度将影响离子电导通路,从而决定沉积过程中沉积层电阻的变化,最终将影响沉积有效电压。NiO/YSZ-PS复相悬浮液中,zeta电势以及粒径大小与它们的质量比呈正相关。在各复相配方体系中,PS的烧失率均大于原配方。在复相沉积过程,PS颗粒的表面双电层减薄较快,因此在PS/NiO或PS/YSZ两相体系中,PS主导沉积。2.研究了电泳沉积制备SOFC阳极片的沉积机制及其对性能的影响。以NiO/YSZ/PS三相组成的悬浮液进行电泳沉积。结果表明:NiO/YSZ悬浮液中,复相悬浮液的zeta电位比单相的大,同时复相悬浮液的团聚体粒径增大,NiO沉积速率低于YSZ,可以得到孔隙率较少的阳极片。在NiO/YSZ/PS三相沉积中,可以得到多孔的阳极片。由于PS 比其他两种固体物吸附表面活性剂的能力强,双电层减薄快,其沉积速率较大。同时,NiO会吸附在PS表面形成共沉积,提高了NiO的沉积速率,NiO与YSZ的沉积质量比就会相应提高。随着造孔剂PS含量的增加,阳极的孔隙率不断增大,电导率下降。3NiO-YSZ、NiO-YSZ的还原后的阳极片随着温度上升,电导率越小,阳极片表现为金属性。
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ174.1;TM911.4
【图文】：

工作原理,阳极,阴极,极方向

１．１．１概述逡逑ＳＯＦＣ单元结构是由多孔的阳极与阴极、致密的电解质形成一个类似于“三逡逑明治”的结构，如图１－１所示。氧化剂（通常为空气）从阴极进入，氧气得电子逡逑形成二价氧离子，向阳极方向扩散，跟阳极的燃料气体发生氧化反应后，电子又逡逑从阳极处释放到外电路提供给阴极反应逡逑Ｐ￣ｉｎｍ——｜逡逑■邋？逡逑图１－丨ＳＯＦＣ工作原理逡逑１逡逑

示意图,电泳沉积,过程,示意图

电泳沉积（简称ＥＰＤ）是指对悬浮液施加一定的外加电场，在外加电场的作逡逑用下，带电粒子在悬浮液中发生迁移，并最终在与之带相反电性的电极板上沉积，逡逑形成沉积层的过程［４８］。图１－２为电泳沉积过程示意图。逡逑图１－２电泳沉积过程示意图逡逑１．３．２电泳沉积的沉积机理逡逑目前关于电泳沉积的机制理论有四种，分别是颗粒的聚集产生絮凝［４９１、带电逡逑颗粒的中和机制％１、电化学颗粒的凝固机制以及双电层的变形减薄机制［５＼这几逡逑种机制理论本身都会存在一定的缺陷并有自己的适合体系。本论文从带电颗粒的逡逑ｚｅｔａ电势以及颗粒的粒径大小研宄出发，重点介绍双电层的减薄机制。逡逑带电颗粒与颗粒之间相互作用能与相互作用力，存在范德华吸引力与电层斥逡逑力，如图１－３所示。如果两颗粒相互靠近，颗粒之间的作用力表现为吸引势能。逡逑如果颗粒间的距离继续靠近时，则颗粒间的作用力表现为斥力。当颗粒越靠近时，逡逑５逡逑

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