LaFeO3和α-PbO2基氧化物作为新型固体氧化物电解池阴极材料的制备与性能研究

作     者：阮文吉 

作者单位：西南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢德体;倪呈圣

授予年度：2021年

学科分类：081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：SOEC LaFeO3基氧化物 α-PbO2结构氧化物 CO2电解 水电解 

摘      要：由于全球环境的恶化和化石燃料能源的短缺,对可再生清洁能源的需求日益增加。固体氧化物电解池(SOEC)是一种能量转化装置,通过高温电解HO和CO,将电能直接转化为化学能,具有能源转换率高、环境友好等优点。本文主要针对新型α-PbO结构氧化物电极材料和钙钛矿结构氧化物电极材料作为SOEC阴极进行研究,通过离子掺杂来改善电极材料的化学稳定性,测试SOEC在无保护气氛下的相关性能并分析其机理。本文合成了钙钛矿LaFeO(ABO)基氧化物LaSrFeNiTiO来研究了B位掺杂一定量的Ni对电极材料的影响。当Ni含量为0%和20%时为单相钙钛矿氧化物。利用固相法合成LaSrFeTiO(LSFT)和LaSrFeNiTiO(LSFNT)电极材料。在800 ℃还原气氛中,LSFT和LSFNT原位出溶Fe和Fe-Ni纳米颗粒,其电导率分别为0.03 Scm和0.02 Scm。在-1.7 V外加电压下,LSFT和LSFNT阴极电池在800 ℃时直接电解HO的电流密度分别为-1.31 Acm和-1.23 Acm,极化电阻分别为0.05Ωcm和0.14Ωcm;电解纯CO得到的电流密度分别为-1.12 Acm和-0.59 Acm,极化电阻分别为0.08Ωcm和0.81Ωcm。金属纳米颗粒的原位溶出可以提高电极材料的电催化活性,本文中LSFNT原位溶出的纳米颗粒少于LSFT,在电解HO和CO测试中,LSFT表现出更好的催化性能和抗积碳性能。另一方面,在稳定非钙钛矿MnTiNbO(MT)基氧化物的Mn/Ti位置上掺杂30%和60%含量的Fe,通过高温固相法合成MT、FeMnTiNbO(FMT-03)和FeMnTiNbO(FMT-06)电极材料,对其结构、离子空位以及其他基本性能进行分析。在800 ℃还原气氛中,FMT-03具有更好的化学稳定性并保持α-PbO结构不变,FMT-06生成绝缘相(Fe,Mn)NbO。MT、FMT-03和FMT-06在800 ℃还原气氛中的电导率分别为0.08、0.20和0.80 Scm。结果显示,掺杂适量的Fe可以提高电极材料的电导率,而过量的Fe使电极材料的稳定性降低。在电解池模式下,MT、FMT-03和FMT-06电池在800 ℃时-1.6 V条件下电解25 ml·minHO-20 ml·min Ar的电流密度分别为-1.4、-1.6和-1.2 Acm,极化电阻分别为0.32、0.14和0.27Ωcm。同时,在-1.8 V电解电压下,MT、FMT-03和FMT-06电池在800 ℃直接电解纯CO显示出较高的电流密度和较低的极化电阻,电流密度分别达到了-0.81、-1.13和-0.24Acm,极化电阻分别为0.81、0.77和0.97Ωcm。在-1.6 V下直接电解Ar-83%HO长期稳定性测试中,MT电池电流密度为-1.69 Acm,FMT-03电池电流密度高达-1.84 Acm,FMT-06在1.5 h内快速衰减。此外,在-1.5 V下直接电解纯CO的稳定性测试中,MT在1.5 h内快速衰减;FMT-03缓慢下降且趋于稳定。FMT-03电池在电解模式下表现出较好的催化性能、稳定性和抗积碳性能。在本文研究中,与常用的钙钛矿结构的电极材料相比,新型α-PbO结构氧化物电极材料具有更好的高温电导率和化学稳定性,在同样条件下电解HO和CO,MT基氧化物电极材料表现出良好的催化活性、较小的极化电阻、较好的稳定性和抗积碳性能,无电化学性能衰减,说明新型α-PbO结构氧化物电极材料是一种具有潜力的SOEC阴极材料,可作为在无还原性气氛保护下直接电解HO和CO的SOEC阴极材料的候选材料。