类钙钛矿结构阴极材料的掺杂改性研究
发布时间：2021-10-25 23:28
固体氧化物燃料电池（SOFC）具有洁净、高效等优点,展现出良好的发展前景。然而操作温度高带来诸多实际问题,中低温环境下性能优良的阴极材料是该领域研究的重点。从目前报道的文献来看,对Ln2NiO4+δ材料A位进行Sr掺杂的研究较少,且Sr掺杂对材料催化活性的作用结果不同。此外,有研究表明对材料进行A、B位掺杂可以优化其性能。因此,为了客观评估Sr掺杂对材料催化活性的影响,并进一步改善材料的电学性能。本文采用溶胶凝胶法均成功制备了La2-xSrxNiO4+δ（x=0-1.5）、LaSrNi0.8M0.2O4+δ（M=Ni,Cu,Co,Fe）、Nd1.5Pr0.5Ni1-xMxO4+δ（M=Cu,Co,Mo;x=0-0.1）、La4Ni3-xCux
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氧离子导体型SOFC工作示意图
中国民航大学硕士学位论文41.2.3SOFC的结构类型单个电池本身输出功率有限，不能满足大规模生产应用。因此，通常将单电池按照一定的形状和顺序进行组装，构成电池堆来达到供电要求。依据形状不同主要分为以下三种：瓦楞型、管型、平板型。瓦楞型是根据瓦楞片状的形状而设计的特种结构，如图1-2(a)所示，由阴极、固体电解质、阳极堆叠而成的结构，因其特殊的形状增加了气体与电极的作用面积，使电极层与气体充分反应，从而提高了电池的工作效率。其最大的优点是输出效率较高、结构稳定、不需要较高的温度就可以实现电池堆的封装。其次，由于瓦楞结构是要求一次整体烧结而形成的，制作的工艺要求较高，改进其工艺变得尤为重要。管型结构研究较早，目前的制造技术相对成熟。如图1-2(b)所示，阴极处在管壁最内处、其次是固体电解质、阳极处在管壁最外侧；采用氢气作为燃料，空气作为氧化剂向管内通入。美国西屋公司对管状电池堆进行了长达8年的研究，得到了较为满意的性能。其最大的优点是易于组装，便于实现密封，机械强度好。由于制造成本高、功率密度低而限制其进一步推广。平板型结构是目前实验室和有些公司研究的热点，结构如图1-2(c)所示，同样是由阴极、固体电解质、阳极组成的薄的平板状结构。需要在高温下才能密封，热循环型性能较弱，分别向导气槽中通入空气和燃料，单电池采用串联的方式构成电池堆，电流的行程较短，电阻较低，界面的阻抗小，电池输出功率高，相较于其他电池，制作过程简单，制作成本低，而成为SOFC发展的趋势。图1-2(a)瓦楞型;(b)管型;(c)平板型SOFC的结构示意图
中国民航大学硕士学位论文11La4Ni2.7Fe0.3O10-δ和La4Ni3O10-δ阴极材料[53]。TakahashiS[54]研究发现La4Ni3O9.78对称电池随着n的增加，其长期热稳定性有所改善，但是面比电阻逐渐增大。Kim[55]等人探究了不同含量的Sr掺杂La4Ni3O10-δ-YSZ系列阴极材料发现，随着Sr含量的增加，电导率呈增大的趋势，面比电阻呈增大的趋势，Sr元素的掺杂并没有改善高阶阴极材料的电化学催化性能。此外，Sharma[56]等人研究表明La4Ni3O10-δ阴极材料的电化学性能会受微观结构的影响。有研究表明，La2NiO4与La4Ni3O10-δ阴极材料按照一定比例混合构成复合材料，当质量比为1:1时复合材料具有理想的电学性能。在不改变其他性能的条件下，如何提高材料的催化活性是研究者们共同奋斗的目标。图1-3An+1BnO3n+1型类钙钛矿结构示意图1.5本工作研究内容对IT-SOFC的研究备受科研工作者的重视，由于操作温度的降低会对材料的结构、导电性能以及电化学反应造成重要影响，因此开发电学性能优良的阴极材料迫在眉睫。基于前人对Ln2NiO4系列阴极材料的研究，总结分析发现电导率、电极催化活性等方面仍存在不足，本论文拟开展以下研究工作：（1）采用溶胶凝胶湿化学法（sol-gel）制备La2-xSrxNiO4+δ(x=0-1.5)系列样品，研究该系列样品的相结构、导电性能、电化学性能、输出功率，探究Sr掺杂对电化学催化性能是否有积极的影响，分析不同掺Sr量对性能的作用规律，并确定最佳Sr掺杂量。（2）在La2-xSrxNiO4+δ系列研究的基础上，为了改善阴极材料的电化学催化活性、输出功率，采用sol-gel法制备LaSrNi0.8M0.2O4+δ(M=Ni,Cu,Co,Fe)系列材料。探究掺杂量20mol%Cu、Co、Fe元素对材料性能的影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中温固体氧化物燃料电池Nd2NiO4+δ-Ce0.8Gd0.2O2–δ复合阴极性能研究[J]. 李斯琳,屠恒勇,于立军. 无机材料学报. 2017(05)
[2]碳基燃料固体氧化物燃料电池发展前景[J]. 韩敏芳,彭苏萍. 中国工程科学. 2013(02)
[3]采用EDTA溶胶-凝胶自燃烧方法合成La4Ni3O10（英文）[J]. 刘婷,黄楚云,徐业彬,李洋. 稀有金属材料与工程. 2012(S3)
[4]Ln2MO4 cathode materials for solid oxide fuel cells[J]. ZHAO Hui, LI Qiang & SUN LiPing Key Laboratory of Functional Inorganic Material Chemistry, Ministry of Education; School of Chemistry and Materials Science, Heilongjiang University, Harbin 150080, China. Science China（Chemistry）. 2011(06)
[5]低温固体氧化物燃料电池[J]. 章蕾,夏长荣. 化学进展. 2011(Z1)
[6]类钙钛矿复合氧化物La2-xSrxNiO4的合成及电学性能[J]. 龚明光,陆丽华,金江,张华. 电源技术. 2009(09)
[7]La1.9Sr0.1Ni0.9Cu0.1O4+δ混合导体的合成与导电性能研究[J]. 黄端平,徐庆,张枫,陈文,刘韩星. 功能材料. 2008(03)
[8]新型中温固体氧化物燃料电池阴极材料的研究[J]. 黄端平,徐庆,陈文,张枫. 陶瓷学报. 2006(03)
[9]钙钛石及类钙钛石型复合氧化物研究进展[J]. 高利珍. 材料导报. 1996(01)
博士论文
[1]阴极支撑的管式液态锑阳极固体氧化物燃料电池的制备及电解质的稳定性研究[D]. 马吉阳.华中科技大学 2019
[2]固体氧化物燃料电池电解质及电极催化剂的制备与性能研究[D]. 裴凯.吉林大学 2019
[3]钙钛矿型La0.8Sr0.2Cr0.5Fe0.5O3-δ材料在固体氧化物燃料电池中的应用[D]. 魏涛.中国矿业大学 2015
[4]中温固体氧化物燃料电池的阴极材料和阴极过程[D]. 蒋治亿.中国科学技术大学 2010
本文编号：3458370
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
氧离子导体型SOFC工作示意图
中国民航大学硕士学位论文41.2.3SOFC的结构类型单个电池本身输出功率有限，不能满足大规模生产应用。因此，通常将单电池按照一定的形状和顺序进行组装，构成电池堆来达到供电要求。依据形状不同主要分为以下三种：瓦楞型、管型、平板型。瓦楞型是根据瓦楞片状的形状而设计的特种结构，如图1-2(a)所示，由阴极、固体电解质、阳极堆叠而成的结构，因其特殊的形状增加了气体与电极的作用面积，使电极层与气体充分反应，从而提高了电池的工作效率。其最大的优点是输出效率较高、结构稳定、不需要较高的温度就可以实现电池堆的封装。其次，由于瓦楞结构是要求一次整体烧结而形成的，制作的工艺要求较高，改进其工艺变得尤为重要。管型结构研究较早，目前的制造技术相对成熟。如图1-2(b)所示，阴极处在管壁最内处、其次是固体电解质、阳极处在管壁最外侧；采用氢气作为燃料，空气作为氧化剂向管内通入。美国西屋公司对管状电池堆进行了长达8年的研究，得到了较为满意的性能。其最大的优点是易于组装，便于实现密封，机械强度好。由于制造成本高、功率密度低而限制其进一步推广。平板型结构是目前实验室和有些公司研究的热点，结构如图1-2(c)所示，同样是由阴极、固体电解质、阳极组成的薄的平板状结构。需要在高温下才能密封，热循环型性能较弱，分别向导气槽中通入空气和燃料，单电池采用串联的方式构成电池堆，电流的行程较短，电阻较低，界面的阻抗小，电池输出功率高，相较于其他电池，制作过程简单，制作成本低，而成为SOFC发展的趋势。图1-2(a)瓦楞型;(b)管型;(c)平板型SOFC的结构示意图
中国民航大学硕士学位论文11La4Ni2.7Fe0.3O10-δ和La4Ni3O10-δ阴极材料[53]。TakahashiS[54]研究发现La4Ni3O9.78对称电池随着n的增加，其长期热稳定性有所改善，但是面比电阻逐渐增大。Kim[55]等人探究了不同含量的Sr掺杂La4Ni3O10-δ-YSZ系列阴极材料发现，随着Sr含量的增加，电导率呈增大的趋势，面比电阻呈增大的趋势，Sr元素的掺杂并没有改善高阶阴极材料的电化学催化性能。此外，Sharma[56]等人研究表明La4Ni3O10-δ阴极材料的电化学性能会受微观结构的影响。有研究表明，La2NiO4与La4Ni3O10-δ阴极材料按照一定比例混合构成复合材料，当质量比为1:1时复合材料具有理想的电学性能。在不改变其他性能的条件下，如何提高材料的催化活性是研究者们共同奋斗的目标。图1-3An+1BnO3n+1型类钙钛矿结构示意图1.5本工作研究内容对IT-SOFC的研究备受科研工作者的重视，由于操作温度的降低会对材料的结构、导电性能以及电化学反应造成重要影响，因此开发电学性能优良的阴极材料迫在眉睫。基于前人对Ln2NiO4系列阴极材料的研究，总结分析发现电导率、电极催化活性等方面仍存在不足，本论文拟开展以下研究工作：（1）采用溶胶凝胶湿化学法（sol-gel）制备La2-xSrxNiO4+δ(x=0-1.5)系列样品，研究该系列样品的相结构、导电性能、电化学性能、输出功率，探究Sr掺杂对电化学催化性能是否有积极的影响，分析不同掺Sr量对性能的作用规律，并确定最佳Sr掺杂量。（2）在La2-xSrxNiO4+δ系列研究的基础上，为了改善阴极材料的电化学催化活性、输出功率，采用sol-gel法制备LaSrNi0.8M0.2O4+δ(M=Ni,Cu,Co,Fe)系列材料。探究掺杂量20mol%Cu、Co、Fe元素对材料性能的影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中温固体氧化物燃料电池Nd2NiO4+δ-Ce0.8Gd0.2O2–δ复合阴极性能研究[J]. 李斯琳,屠恒勇,于立军. 无机材料学报. 2017(05)
[2]碳基燃料固体氧化物燃料电池发展前景[J]. 韩敏芳,彭苏萍. 中国工程科学. 2013(02)
[3]采用EDTA溶胶-凝胶自燃烧方法合成La4Ni3O10（英文）[J]. 刘婷,黄楚云,徐业彬,李洋. 稀有金属材料与工程. 2012(S3)
[4]Ln2MO4 cathode materials for solid oxide fuel cells[J]. ZHAO Hui, LI Qiang & SUN LiPing Key Laboratory of Functional Inorganic Material Chemistry, Ministry of Education; School of Chemistry and Materials Science, Heilongjiang University, Harbin 150080, China. Science China（Chemistry）. 2011(06)
[5]低温固体氧化物燃料电池[J]. 章蕾,夏长荣. 化学进展. 2011(Z1)
[6]类钙钛矿复合氧化物La2-xSrxNiO4的合成及电学性能[J]. 龚明光,陆丽华,金江,张华. 电源技术. 2009(09)
[7]La1.9Sr0.1Ni0.9Cu0.1O4+δ混合导体的合成与导电性能研究[J]. 黄端平,徐庆,张枫,陈文,刘韩星. 功能材料. 2008(03)
[8]新型中温固体氧化物燃料电池阴极材料的研究[J]. 黄端平,徐庆,陈文,张枫. 陶瓷学报. 2006(03)
[9]钙钛石及类钙钛石型复合氧化物研究进展[J]. 高利珍. 材料导报. 1996(01)
博士论文
[1]阴极支撑的管式液态锑阳极固体氧化物燃料电池的制备及电解质的稳定性研究[D]. 马吉阳.华中科技大学 2019
[2]固体氧化物燃料电池电解质及电极催化剂的制备与性能研究[D]. 裴凯.吉林大学 2019
[3]钙钛矿型La0.8Sr0.2Cr0.5Fe0.5O3-δ材料在固体氧化物燃料电池中的应用[D]. 魏涛.中国矿业大学 2015
[4]中温固体氧化物燃料电池的阴极材料和阴极过程[D]. 蒋治亿.中国科学技术大学 2010
本文编号：3458370
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