固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置,具有高效、清潔、全固態(tài)結(jié)構(gòu)、燃料適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn),受到人們廣泛關(guān)注。SOFC主要由致密電解質(zhì)與多孔陰陽(yáng)極組成,其中陰陽(yáng)極的工作環(huán)境以及工作任務(wù)不同,通常選用不同材料。如果將一種材料同時(shí)作為SOFC陰陽(yáng)極,即構(gòu)建對(duì)稱固體氧化物燃料電池(SSOFC),將帶來(lái)巨大優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)SOFC相比,SSOFC可以簡(jiǎn)化制備工藝,降低生產(chǎn)成本,同時(shí)減少需要考慮的界面匹配問(wèn)題。更重要的是,這種構(gòu)型可以通過(guò)反轉(zhuǎn)兩極氣體的方式氧化陽(yáng)極積碳,并恢復(fù)因此導(dǎo)致的性能衰減。但想要找到一類既能在氧化與還原氣氛中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,又具有良好催化活性的材料十分困難,目前僅有少數(shù)材料滿足要求。錳基A位層狀鈣鈦礦材料LnBaMn205+δ作為一類潛在的SSOFC電極材料備受關(guān)注。


本論文以該材料為基體,通過(guò)第一性原理計(jì)算,從材料電導(dǎo)和催化角度考慮,篩選了A位鑭系元素;進(jìn)而通過(guò)B位不同種類元素的摻雜,控制材料的化學(xué)膨脹和催化活性,綜合改善電極的電化學(xué)性能。首先對(duì)LnBaM2O5+δ(Ln=La,Pr,Nd,Sm,Gd,Y)進(jìn)行第一性原理計(jì)算,研究不同鑭系元素對(duì)材料晶胞參數(shù)、結(jié)合能及電子結(jié)構(gòu)的影響,將材料的電子結(jié)構(gòu)特征與材料的電導(dǎo)性質(zhì)及催化活性相關(guān)聯(lián),為A位鑭系元素的選擇提供理論依據(jù)。Ln=Sm,Gd這兩類材料熱力學(xué)穩(wěn)定性最好,Ln=Pr,Nd,Sm這三類材料的電學(xué)和催化活性具有潛在優(yōu)勢(shì)。綜合考慮,選擇Sm作為A位元素。研究了SmBaMn2O5+δ在不同氣氛及溫度下的結(jié)構(gòu)演變特性及氧含量變化,表征了材料在不同氣氛中的電導(dǎo)率及材料對(duì)氫氣與空氣的催化活性,并研究了對(duì)稱全電池在不同溫度下的輸出功率特性。


研究結(jié)果表明,SmBaMn2O5+δ在較寬氧分壓下保持層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu),在氧化和還原氣氛下均具有較高電導(dǎo)率,合適的熱膨脹系數(shù)以及良好的催化活性,在900℃氫氣與空氣中的極化阻抗分別為0.314,0.066Ωcm2。以SmBaMn2O5+δ為對(duì)稱電極的La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)電解質(zhì)(~300μm)支撐SSOFC在900℃時(shí)的最大功率密度達(dá)到565 mW cm-2,陽(yáng)極浸漬15 wt%Co-Fe合金作為催化劑后可達(dá)782 mW cm-2。為減小材料化學(xué)膨脹,選擇金屬氧鍵強(qiáng)較強(qiáng)的Mg/Ti取代部分Mn,通過(guò)減小非化學(xué)計(jì)量氧含量變化,顯著降低材料化學(xué)膨脹,有效改善材料氧化還原結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,增強(qiáng)電極與電解質(zhì)膨脹匹配性。還原態(tài)與氧化態(tài)SmBaMn1.9Mg0.1O5+δ的質(zhì)量差比SmBaMn2O5+δ小28%,還原/氧化過(guò)程的化學(xué)膨脹比SmBaMn2O5+δ分別小21%與39%。SmBaMn1.9Ti0.1O5+δ對(duì)稱電池經(jīng)歷數(shù)次氧化還原循環(huán)時(shí),因氣氛變化導(dǎo)致的歐姆阻抗增長(zhǎng)量較小。Mg,Ti摻雜并未嚴(yán)重惡化其催化活性,以Mg摻雜、Ti摻雜材料為對(duì)稱電極組裝的LSGM電解質(zhì)(~300μm)支撐SSOFC在900℃時(shí)的最大功率密度分別為596,603 mW cm-2,同時(shí)表現(xiàn)出可觀的短期穩(wěn)定性及抗熱循環(huán)性能。


為進(jìn)一步改進(jìn)對(duì)稱電極材料的催化活性,構(gòu)建了A位缺位、B位摻雜Co的(SmBa)0.9Mn1.8Co0.2O5+δ,材料在還原氣氛中原位析出金屬Co納米顆粒,氧化后轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米Co3O4。該材料展現(xiàn)出優(yōu)異的氧表面交換能力與杰出的催化活性,在900℃氫氣與空氣中的極化阻抗分別為0.214,0.039Ωcm2。陰陽(yáng)極電極反應(yīng)機(jī)理的系統(tǒng)研究表明,氫解離過(guò)程與電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程分別為陽(yáng)極、陰極反應(yīng)的主要限速步驟,陽(yáng)極Co的存在主要促進(jìn)了氫的解離過(guò)程,陰極Co3O4的存在同時(shí)促進(jìn)了氧的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程及氧氣吸附解離過(guò)程。以(SmBa)0.9Mn1.8C00.2O5+δ為對(duì)稱電極組裝的LSGM電解質(zhì)(~300μm)支撐SSOFC在900℃時(shí)的最大功率密度可以達(dá)到712 mWcm-2,輸出功率特性相比于其他材料體系更為優(yōu)越,表明該材料是一種非常具有發(fā)展前途的SSOFC電極材料。