固体氧化物燃料电池Sr 3 Fe 2 O 7 阴极表面反应的第一性原理研究

发布时间：2022-01-07 20:25

　　固体氧化物燃料电池（SOFCs）作为一种绿色和高效的能量转换装置,具有很大的社会意义。但是目前SOFCs商业化进程较为缓慢,其主要原因是电极（尤其是阴极）的极化阻抗过大阻碍了电学性能的提升,尤其是低温下极化电阻的问题更为突出。本论文基于第一性原理计算,在原子尺度上同时研究了Sr3Fe2O7阴极在O-SOFCs和P-SOFCs中的还原反应过程和机制,确定反应速控步骤,并为SOFCs开发有效的氧化物阴极材料提供理论指导。本论文主要研究结果如下:第一章,综述了 SOFCs的相关理论,并介绍了理论计算的基本概念。首先介绍了常用的阳极、电解质、阴极材料的研究状况;然后详细地从实验和计算的角度阐述了 O-SOFCs和P-SOFCs两种工作模式下还原反应机理;接着简单介绍了本文所用计算手段的理论依据与基本概念;最后介绍了本文的研究内容。第二章,利用第一原理方法,系统地研究了 R-P结构的Sr3Fe2O7（SFO）阴极表面上还原反应过程,并选取钙钛矿结构的La0.5Sr0.5Co0.25Fe0.75O3（LSCF）作为对比,探讨不同晶体结构对表面反应的影响。实验结果表明,与LSCF相比,Sr3Fe2O... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：56 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１电导率与Ｎｉ的体积含量关系［６］??２??

和?Ｋ２ＮｉＦ４?类型的?Ｒ－Ｐ?（Ｒｕｄｄｌｅｓｄｅｎ－Ｐｏｐｐｅｒ）结构。??（１）钙钛矿结构阴极材料??钙钛矿晶格是立方结构，结构通式为ＡＢ〇３，其结构如图１．２所示。半径大??的Ａ位离子和０形成立方密堆结构，半径小的Ｂ位离子进入氧八面体空隙中。??各离子的大小应该满足如下关系。??ｒＡ?＋ｒ０＝ｙ／２（ｒＢ?＋ｒＱ）?（１．２）??Ａ位离子一般是碱土金属（如Ｌａ、Ｓｒ等），Ｂ位离子一般是过渡金属（如??Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ等）。由于过渡金属有八配位结构，配位结构的对称性能够让钙钛??矿结构形成导体性或半导体性的能带结构，从而增加电子电导。另外通过Ａ位??或Ｂ位掺杂也能提高氧离子电导或质子电导，如在Ｌｎ３＋位掺杂ＳＦ＋可以形成氧空??位从而产生氧离子电导。??Ｑ〇Ｊ｜ｊＰ〇??◎翁？◎〇??图１．２钙钛矿结构示意图??在钙钛矿结构中，ＬａｘＳｎ＿ｘＭｎ〇３?（ＬＳＭ）是科研中受到关注最多的材料［２１］。??ＬＳＭ是由Ｓｒ元素掺杂ＬａＭｎ０３后形成，Ｌａ〇．７Ｓｒ〇．３Ｍｎ〇３在１０００°Ｃ左右是为立方结??构晶体。通过Ｓｒ＾取代Ｌａ３＋或者通过Ｓｒ＾对Ｍｎ３＋的还原均可产生氧空位

（２）层状钙钛矿结构阴极材料??最近层状钙钛矿结构的ＬｎＢａＣｏ２０６－５?（Ｌｎ代表Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，?Ｓｍ，?Ｅｕ，?Ｇｄ，??Ｙ等）材料逐渐走入人们的视线，如图１．３所示，这种材料可以视为ＡＢ０３与Ａ’Ｂ０３??的有序循环，其中Ａ位被Ｌｎ３＋和Ｂａ２＋交替占据。理论上这种占据方法可以极大??的提升氧扩散速率［２５］，如ＧｄＢａＣ〇２〇６－ｓ?（ＧＢＣＯ）材料［２６］在５７５°Ｃ下的氧表面??交换系数为氧扩散系数为４．８ｘ１０－１０?ｃｍＹ１，另外ＧＢＣＯ在与电??解质烧结后极化阻抗为０．２５?Ｑ?ｃｍ２?（ＧＤＣ，?５７５°Ｃ）。但ＧＢＣＯ的稳定性较差，??其与ＹＳＺ在低温下也会反应，因此双钙钛矿结构的阴极材料往往与电解质材料??共烧结成复相阴极，从而增强稳定性。??０■參０??图１．３双钙钛矿结构示意图??６??

【参考文献】：
期刊论文
[1]固体氧化物燃料电池的发展与研究[J]. 冯登满,刘畅,杨苗苗,国书瑀,刘洋,韩飞.  科技展望. 2016(05)

博士论文
[1]LSF基SOFC钙钛矿阴极性能的研究[D]. 李梅.中国科学技术大学 2017



本文编号：3575214