固體氧化物燃料電池Pr2CuO4基陰極材料的電化學(xué)性能.pdf

1、開(kāi)發(fā)新型混合離子-電子導(dǎo)電材料在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用顯得尤為重要，其中就包括了固體氧化物燃料電池。到目前為止，許多鈣鈦礦型混合離子-電子導(dǎo)電材料如La1-xSrxMnO3，La1-xSrxCo1-yFeyO3和Ba0.5Sr0.5CoxFe1-xO3已經(jīng)被作為固體氧化物燃料電池陰極所廣泛研究了。而最近，一些K2NiF4型混合離子-電子導(dǎo)電材料也引起了人們的廣泛關(guān)注。這類氧化物通常表示為A2BO4，其中A代表鑭系元素(La，Pr, Nd)或堿

2、性元素(Sr, Ba)，B為過(guò)渡金屬氧離子(Co，Ni, Cu)。這都暗示了類鈣鈦礦氧化物Pr2CuO4是一種新型的固體氧化物燃料電池陰極材料。
　　本論文采用甘氨酸-硝酸鹽法合成了Pr2CuO4粉體，該類氧化物與固體電解質(zhì)CGO有很好的高溫化學(xué)相容性。它的熱膨脹系數(shù)與CGO較為接近，燒結(jié)溫度對(duì)電極的微觀形貌及電化學(xué)性質(zhì)影響也進(jìn)行了考察。電極在950℃燒結(jié)后，電極表面有較均勻的孔隙率，粒子之間有一定的燒結(jié)連接。Pr2CuO4陰極也

3、顯示出了較低的極化電阻，在700℃為0.56Ω cm2。為了研究發(fā)生在電極上的反應(yīng)機(jī)制，研究了極化電阻隨氧分壓的變化情況。結(jié)果表明，電極上的反應(yīng)速率控制步驟為電荷的遷移反應(yīng)。極化測(cè)試顯示，交換電流密度隨溫度的升高而升高(i0=6.3 mA cm2，600℃,i0=8.5 mA cm2,650℃，i0=17.4mAcm2,700℃)。
　　為了進(jìn)一步改善電極性能，對(duì)Pr2CuO4-CGO(PCO-CGO)和Pr2CuO4-Ag(PC

4、O-Ag)復(fù)合陰極性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，PCO陰極中電解質(zhì)CGO的加入有效的改善了電極的性能及電極與電解質(zhì)間的連接。當(dāng)PCO復(fù)合40 wt.％ CGO時(shí)在700℃下，極化電阻達(dá)到了最小值為0.12Ω cm2，此數(shù)值約為純相PCO陰極極化電阻的1/5。而PCO-Ag復(fù)合陰極也顯示出了較好的電化學(xué)性能。當(dāng)PCO復(fù)合6 wt.％ Ag時(shí)在700℃下，極化電阻達(dá)到了最小值為0.37Ω cm2，約為純相PCO陰極極化電阻的1/2。此外，PCO

5、-CGO與PCO-Ag復(fù)合陰極也顯示了較好的交換電流密度。
　　為了增加電極材料的氧空位濃度，采用高溫固相法合成了Pr2-xSrxCuO4(0.2-1.0)陰極材料。研究了Sr的摻雜量對(duì)材料的熱膨脹系數(shù)，離子-電子混合電導(dǎo)率及電化學(xué)性能。結(jié)果顯示，陰極材料的電化學(xué)性能得到顯著的提高。Pr1.6 Sr0.4CuO4陰極在700℃下，極化電阻達(dá)到了0.22Ω cm2。氧還原動(dòng)力學(xué)表明Pr1.6Sr0.4CuO4陰極的速率控制步驟為電荷