质子传导型固体氧化物电解池中电解质材料的研究进展

发布时间：2021-11-06 05:13

　　质子传导型固体氧化物电解池（H-SOEC）相比于氧离子传导型固体氧化物电解池（O-SOEC）优点甚多,但是其发展远落后于O-SOEC,这主要是由于技术上存在更多挑战,例如在含H₂O和CO₂的气氛中电解质的稳定性。近年来,质子传导型电解质由于其在中温下具有较高的离子导电性和较低的活化能,且在H-SOEC的氢电极侧直接生成干纯氢气等优势而引起广泛的关注。综述了关于质子传导型固体氧化物电解池中电解质材料的研究进展,重点关注了国内外研究者在BaCeO₃、BaZrO₃及其固溶体方面的最新研究成果和相关应用,并对潜在的研究方向进行了展望。 

【文章来源】：陶瓷学报. 2020,41(03)北大核心

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【部分图文】：

质子传导型电解池的工作原理图[4]

自从Iwahara等人[7]发现掺杂的BaCeO3和SrCeO3在中低温含氢或水蒸汽气氛下具有优异的质子导电性以来，钙钛矿型质子导体氧化物作为固体氧化物电池的电解质材料已成为新的研究热点；尤其是掺杂BaCeO3的质子导体，其质子电导率在600℃时约为10-2 S/cm，远高于相同温度下的YSZ的电导率[8]。图2为ABO3型立方钙钛矿晶相结构，针对这类钙钛矿型氧化物的质子导体，亟待解决的问题就是如何通过改性来进一步改善化学稳定性。目前，作为潜在的质子导体，常采用三价阳离子部分取代的BaCeO3基、BaZrO3基质子导体以及BaCeO3-BaZrO3固溶体。随着这种三价阳离子的掺入，如钇离子(Y3+)、镱离子(Yb3+)，形成了氧空位，氧空位在干燥氧气气氛中与氧气作用形成晶格氧和电子空穴，当电解质在含氢气或水蒸汽气氛中时，水与氧空位或空穴的组合则形成了间隙质子，再通过水的解离吸附将氧缺陷的传导转变为间隙质子的传导[9]。如图3所示，在中低温下，质子的传导通过Grotthuss型机制在相邻的晶格氧之间跳跃完成。质子在固定的氧位点上的传输主要靠在氧离子附近质子的旋转扩散，随后向邻近的氧离子转移。同时，随着氢与空穴的结合将导致质子浓度的增加和质子不断的自由迁移，使得质子电导率在中温(400-700℃)条件下不断增大，这也是目前被广泛认同的质子传导机理，即质子缺陷的旋转扩散—向邻近氧离子跃迁机制。图3 ABO3型钙钛矿结构的质子传导机理

ABO3型钙钛矿结构的质子传导机理

【参考文献】：
硕士论文
[1]质子导体固体氧化物燃料电池复合阴极材料的制备与性能研究[D]. 赵莹莹.郑州大学 2017



本文编号：3479234