中温固体氧化物燃料电池阴极材料LaFe 1-x Cu x O 3-δ 的制备与性能研究
发布时间：2021-11-06 09:26
采用柠檬酸-硝酸盐自蔓延燃烧法合成了LaFe1-xCuxO3-δ（LFC）阴极粉体和Gd0.1Ce0.9O2-δ（GDC）电解质粉体,构建了对称固体氧化物燃料电池LFC/GDC/LFC。利用X射线衍射法（XRD）研究LFC材料的物相结构以及与电解质GDC的化学相容性,采用直流四端子法测试了阴极的电导率,采用交流阻抗法记录界面极化行为,通过扫描电子显微镜（SEM）观察对称电池的断面微观结构。结果表明:合成的LFC粉体（x≤0.2）均呈现单一的钙钛矿结构,且与电解质GDC在低于900℃具有良好的化学相容性;B位掺杂Cu元素能够提高阴极材料的电导率,700℃左右在x=0.2时其电导率最大为104 S·cm-1;极化阻抗随着Cu2+掺杂量的增加而减小,x=0.2时在750℃空气气氛下的电极与电解质间的极化阻抗Rp最小为0.237Ω·cm2。
【文章来源】：中国陶瓷. 2020,56(03)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
LFC粉体在800℃煅烧10 h后的XRD谱和局部放大谱(b)LFC0.2和GDC混合粉体在900℃煅烧10 h后的XRD谱
LaFe1-xCuxO3-δ阴极材料在空气条件下电导率(σ)随温度变化的曲线图，如图2(a)所示。从图中看出，当Cu2+掺杂量≤0.1时，样品的电导率σ随着测试温度的升高而增大，呈现出p型半导体导电性能，归因于热活化的小极化子传导机制的影响[14]。然而当Cu2+掺杂量≥0.2时，材料的电导率随着温度的升高先增大后减小，表现为从p型半导体行为向金属行为的转变，这种现象可能是由于随着温度升高，材料中有大量的晶格氧逸出，从而在晶格中产生大量的氧离子空位，使得样品中空穴浓度下降，电荷的补偿由此转变为以氧离子为主，导致载流子迁移率下降，使得体系的电导率逐渐下降。此外，从图中看出，Cu2+掺杂量为0.2时，样品的电导率在700℃左右达到最大值为104 S·cm-1，原因可能是因为温度满足了阴极材料氧交换开始产生的氧空位和小极化子竞争，另外Cu2+的引入提高了材料的电导率可能归结于载流子浓度的增加。Cu2+掺杂量高于0.2时，电导率下降，分析可能有以下两方面的原因：一方面是由于产生了La2CuO4杂相阻碍了载流子的传输；另一方面在于B位用低价态Cu离子掺杂可能降低了Fe离子的氧化态，这表明了负电荷载流子浓度的降低。图2(b)显示了在测试温度范围内阴极材料LaFe1-xCuxO3-δ电导率的Arrhenius曲线，由图可知，Cu2+掺杂量为0.2时样品的活化能最小为0.114 eV，这与电导率的结果相一致。并且从图中看出ln(σT)与1000/T具有良好的线性关系，说明符合小极化子跃迁机制，满足Arrhenius关系式：式中，A为指前因子；T为绝对温度(K);Ea为活化能(eV);R为气体常数。
进一步研究Cu2+掺杂量对LaFe1-xCuxO3-δ阴极材料的电化学性能的影响，图3表示对称电池LFC/GDC/LFC在750℃下的交流阻抗谱图。电池的阻抗谱由一个半圆弧组成，在圆弧与横坐标的两个交点中，高频截距代表GDC的欧姆电阻(RO)，主要由电解质引起；低频截距代表对称电池的总电阻R；两交点之间的差值即为电极与电解质的界面极化电阻(Rp)[15]。为了更直观地判断Rp与x的关系，将图中扣除了由电解质带来的欧姆阻抗。利用ZSimpWin软件对交流阻抗谱进行拟合，相应的等效电路图如图3所示，其中，L是电感，R0为GDC电解质的欧姆电阻，QHF、QLF为常相位元件，RHF、RLF为极化电阻。QHFRHF代表电极的催化反应过程，QLFRLF则是气体的吸附与扩散过程。由图3可见，LFC的阻抗值Rp随Cu2+掺杂量的增加而减小，当x=0.2时极化阻抗最小为0.237Ω·cm2，表明Cu2+掺杂量为0.2时，材料具有良好的电催化活性，这一趋势和Chen[16]的研究结果一致。Rp的减小可以归因于一方面随着Cu2+掺杂量的增加，材料的氧空位和电子电导率增大从而促进氧还原过程；另一方面也可能Cu-O键键能较低，离子传导活化能低，氧离子淌度增加。图4 LFC0.2在空气气氛下不同温度时的电化学阻抗谱
【参考文献】：
期刊论文
[1]固体氧化物燃料电池阴极材料La0.7Sr0.3Fe0.7Co0.2Cu0.1O3-δ的制备与性能[J]. 吴亚楠,李松波,安胜利,李向国. 中国陶瓷. 2018(02)
[2]新型复合阴极Sr0.95Ti0.05Co0.95O3-δ–Sm0.2Ce0.8O1.9在中低温固体氧化物燃料电池中的性能[J]. 余良浩,王晓晴,林彬,田冬,卢肖永,顾庆文,陈永红. 硅酸盐学报. 2015(07)
硕士论文
[1]中温固体氧化物燃料电池Bi0.5Sr0.5FeO3-δ基阴极材料的电化学性能[D]. 高磊.黑龙江大学 2018
[2]固体氧化物燃料电池阴极材料BaFe0.8Cu0.2O3-δ与LaFe0.8Cu0.2O3-δ制备与性能研究[D]. 贾国强.大连理工大学 2017
本文编号：3479584
【文章来源】：中国陶瓷. 2020,56(03)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
LFC粉体在800℃煅烧10 h后的XRD谱和局部放大谱(b)LFC0.2和GDC混合粉体在900℃煅烧10 h后的XRD谱
LaFe1-xCuxO3-δ阴极材料在空气条件下电导率(σ)随温度变化的曲线图，如图2(a)所示。从图中看出，当Cu2+掺杂量≤0.1时，样品的电导率σ随着测试温度的升高而增大，呈现出p型半导体导电性能，归因于热活化的小极化子传导机制的影响[14]。然而当Cu2+掺杂量≥0.2时，材料的电导率随着温度的升高先增大后减小，表现为从p型半导体行为向金属行为的转变，这种现象可能是由于随着温度升高，材料中有大量的晶格氧逸出，从而在晶格中产生大量的氧离子空位，使得样品中空穴浓度下降，电荷的补偿由此转变为以氧离子为主，导致载流子迁移率下降，使得体系的电导率逐渐下降。此外，从图中看出，Cu2+掺杂量为0.2时，样品的电导率在700℃左右达到最大值为104 S·cm-1，原因可能是因为温度满足了阴极材料氧交换开始产生的氧空位和小极化子竞争，另外Cu2+的引入提高了材料的电导率可能归结于载流子浓度的增加。Cu2+掺杂量高于0.2时，电导率下降，分析可能有以下两方面的原因：一方面是由于产生了La2CuO4杂相阻碍了载流子的传输；另一方面在于B位用低价态Cu离子掺杂可能降低了Fe离子的氧化态，这表明了负电荷载流子浓度的降低。图2(b)显示了在测试温度范围内阴极材料LaFe1-xCuxO3-δ电导率的Arrhenius曲线，由图可知，Cu2+掺杂量为0.2时样品的活化能最小为0.114 eV，这与电导率的结果相一致。并且从图中看出ln(σT)与1000/T具有良好的线性关系，说明符合小极化子跃迁机制，满足Arrhenius关系式：式中，A为指前因子；T为绝对温度(K);Ea为活化能(eV);R为气体常数。
进一步研究Cu2+掺杂量对LaFe1-xCuxO3-δ阴极材料的电化学性能的影响，图3表示对称电池LFC/GDC/LFC在750℃下的交流阻抗谱图。电池的阻抗谱由一个半圆弧组成，在圆弧与横坐标的两个交点中，高频截距代表GDC的欧姆电阻(RO)，主要由电解质引起；低频截距代表对称电池的总电阻R；两交点之间的差值即为电极与电解质的界面极化电阻(Rp)[15]。为了更直观地判断Rp与x的关系，将图中扣除了由电解质带来的欧姆阻抗。利用ZSimpWin软件对交流阻抗谱进行拟合，相应的等效电路图如图3所示，其中，L是电感，R0为GDC电解质的欧姆电阻，QHF、QLF为常相位元件，RHF、RLF为极化电阻。QHFRHF代表电极的催化反应过程，QLFRLF则是气体的吸附与扩散过程。由图3可见，LFC的阻抗值Rp随Cu2+掺杂量的增加而减小，当x=0.2时极化阻抗最小为0.237Ω·cm2，表明Cu2+掺杂量为0.2时，材料具有良好的电催化活性，这一趋势和Chen[16]的研究结果一致。Rp的减小可以归因于一方面随着Cu2+掺杂量的增加，材料的氧空位和电子电导率增大从而促进氧还原过程；另一方面也可能Cu-O键键能较低，离子传导活化能低，氧离子淌度增加。图4 LFC0.2在空气气氛下不同温度时的电化学阻抗谱
【参考文献】：
期刊论文
[1]固体氧化物燃料电池阴极材料La0.7Sr0.3Fe0.7Co0.2Cu0.1O3-δ的制备与性能[J]. 吴亚楠,李松波,安胜利,李向国. 中国陶瓷. 2018(02)
[2]新型复合阴极Sr0.95Ti0.05Co0.95O3-δ–Sm0.2Ce0.8O1.9在中低温固体氧化物燃料电池中的性能[J]. 余良浩,王晓晴,林彬,田冬,卢肖永,顾庆文,陈永红. 硅酸盐学报. 2015(07)
硕士论文
[1]中温固体氧化物燃料电池Bi0.5Sr0.5FeO3-δ基阴极材料的电化学性能[D]. 高磊.黑龙江大学 2018
[2]固体氧化物燃料电池阴极材料BaFe0.8Cu0.2O3-δ与LaFe0.8Cu0.2O3-δ制备与性能研究[D]. 贾国强.大连理工大学 2017
本文编号：3479584
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