原位双金属纳米颗粒YST复合阳极的构筑及其直接碳催化性能研究
发布时间：2021-11-25 23:32
研究了原位Cu析出和CuCo双金属析出的钇掺杂钛酸锶（YST）材料在作为直接碳燃料电池（DC-SOFCs）阳极时的结构及性能。首先采用燃烧法制备系列Co掺杂的Y0.08Sr0.92Ti0.9-xCu0.1CoxO3-δ（x=0,0.1,0.2,0.3）阳极材料。通过XRD、SEM、TEM等表征材料微观结构,结果表明Co掺杂量达到0.2时,氢气还原后的阳极材料析出均匀分布的CuCo双金属纳米颗粒。电导率测试表明CuCo双金属纳米颗粒有效提高了材料的电导率。CO氛围下的阻抗测试表明,析出CuCo双金属纳米颗粒的Co0.2阳极材料具有最小的极化阻抗,催化活性优于其他阳极材料,以其作为阳极的电池在800℃和碳为燃料时,最大功率密度可达591 mW·cm-2,且具有良好的稳定性,是一种优异的DC-SOFC阳极材料。
【文章来源】：化工学报. 2020,71(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
以Co0样品为阳极的电解质支撑型全电池截面SEM图像
为进一步分析YST0.9-xCCox阳极材料中各元素价态及含量，YST0.9-xCCox阳极材料在10%H2氛围中800℃下还原5 h后的不同元素的XPS谱图如图5所示。图5(a）为Ti 2p轨道离子的XPS谱图，所有阳极材料在结合能约为458.4 eV和464.3 eV处，均出现了由Ti 2p3/2轨道电子和Ti 2p1/2轨道电子产生的谱峰，且由于Co元素的掺杂使得YST0.9-xCCox阳极材料中Ti元素的结合能随着Co掺杂量的增加逐渐降低。图5(b）是YST0.9-xCCox阳极材料中O 1s的XPS谱图。所有阳极材料在结合能约为529.6 eV和531.3 eV处，均出现了对应于晶格氧和吸附氧的谱峰[32]。并且吸附氧的峰强度随着Co掺杂比例的增大而增大，在Co0.3时强度达到最大。根据Ti和O元素XPS谱图中不同价态离子对应的谱峰面积，可得到相应价态离子在阳极材料中所占的比值，计算结果列于表2。可以看出，虽然Co0.1阳极材料中具有最高的Ti3+含量，约为54.33%。但电导率测试表明，Co0.1阳极材料的电导率小于Co0.2和Co0.3，表明还原氛围中析出的Co纳米颗粒有效提高了材料的电导率。而Co0.2阳极材料的Ti3+含量高于Co0.3阳极材料，因此Co0.2阳极材料电导率高于Co0.3阳极材料，这与电导率测试结果一致。如表2所示，阳极材料中吸附氧的含量随着Co掺杂量的增大而增大，Co0.2和Co0.3阳极材料的吸附氧的含量分别为59.99%和63.17%。与晶格氧相比，吸附氧在与碳或CO发生化学反应时所需要的活化能更低，能够促进碳和CO燃料的电化学氧化。因此，受电导率及吸附氧活性影响的Co0.2和Co0.3阳极材料对阳极燃料的催化活性还需通过电化学性能测试进一步分析。2.5 电化学性能测试
在800℃及10%的CO气氛中，对以YST0.9-xCCox样品为阴阳极和以LSGM为电解质的对称电池进行电化学阻抗测试，阻抗谱图如图6(a）所示。为比较阳极材料的电化学反应过程中的催化活性，阻抗图中去掉了由电解质厚度和阳极材料电阻所导致的欧姆阻抗RΩ，主要对比了两个圆弧之间的横轴截距代表的极化阻抗值Rp。Rp值等于高频电阻RH与低频电阻RL之和，其大小与表面离子交换和电荷转移速率及气体扩散的快慢有关，能够反映出材料催化活性的优劣。阻抗谱拟合后的结果（表3）显示，800℃时，Co0、Co0.1、Co0.2和Co0.3阳极材料的Rp分别为5.32、4.56、1.63和3.19Ω·cm2。Co0.2阳极材料表现出最小的极化电阻，说明其具有最优的电催化活性。与Co0和Co0.1阳极材料相比，Co0.2和Co0.3阳极材料的RH和RL均明显减小，表明材料表面析出的CuCo双金属纳米颗粒有效改善了阳极材料对CO的催化活性，减小了电极极化。根据表3数据可知，随Co含量增加，阳极材料高频极化阻抗RH逐渐减小，Co0.3阳极材料RH值（0.31Ω·cm2）最小，而Co0.2阳极材料低频极化电阻RL值（0.96Ω·cm2）最小。根据XPS结果分析，由于4种阳极材料中Co0.3具有最大吸附氧浓度，可促进氧离子传导，提高电化学反应速率，获得最小的RH值。而较快的电化学速率导致Co0.3阳极材料上CO消耗速度快，与Co0.2阳极材料相比会产生较大的浓差极化，因此Co0.3阳极材料的低频极化电阻RL较Co0.2大。整体而言，Co0.2阳极材料具有最小的极化电阻，在作为电池的阳极材料时将具有最好的电催化活性。通过弛豫时间分布函数（DRT）分别对各个阳极材料在800℃时的交流阻抗作了进一步分析，结果如图6(b）所示。每个峰均代表了相应的电极反应，峰的位置越趋向于高频，弛豫时间越短，表明该反应的速率越快。每个峰的积分面积对应于相应电化学过程的阻抗值的大小。可以看出，在整个频率范围内，Co0阳极材料的峰强度均大于其他阳极材料，峰的位置也趋向于低频，表明阳极的极化阻抗值大、催化活性低，与表3中结果一致。与Co0阳极材料相比，Co0.1阳极材料的峰强度更低，峰位置也趋向于高频，但相比于析出CuCo双金属纳米颗粒的阳极材料来说仍有差距。另外，与Co0.2阳极材料相比，Co0.3阳极材料在高频区内的峰位置更趋向于高频，表明其弛豫时间短，反应速率快，RH值更小，但在整个频率范围内的Co0.3阳极材料的峰强度均高于Co0.2阳极材料，表明其具有更大的RL值，与表3的分析结果一致。
本文编号：3518998
【文章来源】：化工学报. 2020,71(09)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
以Co0样品为阳极的电解质支撑型全电池截面SEM图像
为进一步分析YST0.9-xCCox阳极材料中各元素价态及含量，YST0.9-xCCox阳极材料在10%H2氛围中800℃下还原5 h后的不同元素的XPS谱图如图5所示。图5(a）为Ti 2p轨道离子的XPS谱图，所有阳极材料在结合能约为458.4 eV和464.3 eV处，均出现了由Ti 2p3/2轨道电子和Ti 2p1/2轨道电子产生的谱峰，且由于Co元素的掺杂使得YST0.9-xCCox阳极材料中Ti元素的结合能随着Co掺杂量的增加逐渐降低。图5(b）是YST0.9-xCCox阳极材料中O 1s的XPS谱图。所有阳极材料在结合能约为529.6 eV和531.3 eV处，均出现了对应于晶格氧和吸附氧的谱峰[32]。并且吸附氧的峰强度随着Co掺杂比例的增大而增大，在Co0.3时强度达到最大。根据Ti和O元素XPS谱图中不同价态离子对应的谱峰面积，可得到相应价态离子在阳极材料中所占的比值，计算结果列于表2。可以看出，虽然Co0.1阳极材料中具有最高的Ti3+含量，约为54.33%。但电导率测试表明，Co0.1阳极材料的电导率小于Co0.2和Co0.3，表明还原氛围中析出的Co纳米颗粒有效提高了材料的电导率。而Co0.2阳极材料的Ti3+含量高于Co0.3阳极材料，因此Co0.2阳极材料电导率高于Co0.3阳极材料，这与电导率测试结果一致。如表2所示，阳极材料中吸附氧的含量随着Co掺杂量的增大而增大，Co0.2和Co0.3阳极材料的吸附氧的含量分别为59.99%和63.17%。与晶格氧相比，吸附氧在与碳或CO发生化学反应时所需要的活化能更低，能够促进碳和CO燃料的电化学氧化。因此，受电导率及吸附氧活性影响的Co0.2和Co0.3阳极材料对阳极燃料的催化活性还需通过电化学性能测试进一步分析。2.5 电化学性能测试
在800℃及10%的CO气氛中，对以YST0.9-xCCox样品为阴阳极和以LSGM为电解质的对称电池进行电化学阻抗测试，阻抗谱图如图6(a）所示。为比较阳极材料的电化学反应过程中的催化活性，阻抗图中去掉了由电解质厚度和阳极材料电阻所导致的欧姆阻抗RΩ，主要对比了两个圆弧之间的横轴截距代表的极化阻抗值Rp。Rp值等于高频电阻RH与低频电阻RL之和，其大小与表面离子交换和电荷转移速率及气体扩散的快慢有关，能够反映出材料催化活性的优劣。阻抗谱拟合后的结果（表3）显示，800℃时，Co0、Co0.1、Co0.2和Co0.3阳极材料的Rp分别为5.32、4.56、1.63和3.19Ω·cm2。Co0.2阳极材料表现出最小的极化电阻，说明其具有最优的电催化活性。与Co0和Co0.1阳极材料相比，Co0.2和Co0.3阳极材料的RH和RL均明显减小，表明材料表面析出的CuCo双金属纳米颗粒有效改善了阳极材料对CO的催化活性，减小了电极极化。根据表3数据可知，随Co含量增加，阳极材料高频极化阻抗RH逐渐减小，Co0.3阳极材料RH值（0.31Ω·cm2）最小，而Co0.2阳极材料低频极化电阻RL值（0.96Ω·cm2）最小。根据XPS结果分析，由于4种阳极材料中Co0.3具有最大吸附氧浓度，可促进氧离子传导，提高电化学反应速率，获得最小的RH值。而较快的电化学速率导致Co0.3阳极材料上CO消耗速度快，与Co0.2阳极材料相比会产生较大的浓差极化，因此Co0.3阳极材料的低频极化电阻RL较Co0.2大。整体而言，Co0.2阳极材料具有最小的极化电阻，在作为电池的阳极材料时将具有最好的电催化活性。通过弛豫时间分布函数（DRT）分别对各个阳极材料在800℃时的交流阻抗作了进一步分析，结果如图6(b）所示。每个峰均代表了相应的电极反应，峰的位置越趋向于高频，弛豫时间越短，表明该反应的速率越快。每个峰的积分面积对应于相应电化学过程的阻抗值的大小。可以看出，在整个频率范围内，Co0阳极材料的峰强度均大于其他阳极材料，峰的位置也趋向于低频，表明阳极的极化阻抗值大、催化活性低，与表3中结果一致。与Co0阳极材料相比，Co0.1阳极材料的峰强度更低，峰位置也趋向于高频，但相比于析出CuCo双金属纳米颗粒的阳极材料来说仍有差距。另外，与Co0.2阳极材料相比，Co0.3阳极材料在高频区内的峰位置更趋向于高频，表明其弛豫时间短，反应速率快，RH值更小，但在整个频率范围内的Co0.3阳极材料的峰强度均高于Co0.2阳极材料，表明其具有更大的RL值，与表3的分析结果一致。
本文编号：3518998
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