对称固体氧化物燃料电池Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ基电极材料的制备与性能研究

作     者：丁莉萍 

作者单位：景德镇陶瓷大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗凌虹;程亮

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：对称固体氧化物燃料电池 双钙钛矿结构 掺杂 弛豫时间分布 

摘      要：固体氧化物燃料（solid oxide fuel cell,SOFC）电池作为21世纪最具前景的能量转换装置,有着转换效率高,环境友好等优点,对称固体氧化物燃料电池（Symmetric solid oxide fuel cell,SSOFC）是SOFC电池的延伸。在这一结构中,阴极与阳极使用同一种材料制备,且电极只需一次烧成即可,大大简化了电池制造程序,降低生产成本。混合离子-电子导电的双钙钛矿材料以其优异的氧化还原稳定性,耐碳和耐硫性被广泛应用于对称电池的电极。B位掺杂被证明可以提高双钙钛矿材料电导率不足和电催化活性偏低等问题,能有效提升单电池的输出性能。因此,本文采用双钙钛矿材料制备电极,并以B位掺杂的方式对电极材料进行改性,构建对称型固体氧化物燃料电池,主要内容如下:（1）系统研究了B位Mn掺杂SrFeMnMoO（SFMM,x=0.1-0.4）,对材料的晶体结构、热膨胀系数、电导率以及电化学性能的影响,并分别采用等效电路法和弛豫时间分布法研究了单电池的电化学行为,探究电极极化阻抗的构成与贡献来源。结果表明,Mn离子的掺杂在0.2时能显著提升材料在两种工作环境下的电导率(空气气氛,12.5 S·cm;氢气气氛,6.58 S·cm),提升电荷转移过程和氧气与氢气在电极处的吸附/解离过程,使SFMM-GDC单电池获得了低的极化阻抗和良好的单电池输出性能,700、750、800和850℃的总极化阻抗分别为0.869、0.381、0.21和0.116Ω·cm,850℃的最大功率密度可达到295 m W·cm。（2）系统研究了B位Co离子掺杂SrFeCoMoO（SFCM,x=0.1-0.4）对材料的晶体结构、热膨胀系数、电导率以及电化学性能的影响。结果发现,Co离子的掺杂使得SFCM粉体在还原条件下极易溶出Co-Fe合金颗粒,大大提升了SFCM在氧化/还原条件下的电导率(空气气氛,24.08 S·cm;氢气气氛,15.05S·cm),同时,其在两种工作气氛下的电荷转移过程与ORR/HOR活性也得到了很大的增强,赋予了SFCM-GDC单电池低的极化电阻和单电池输出性能,在700、750、800和850℃的极化阻抗分别为0.404、0.18、0.109和0.08Ω·cm,在850℃的最大功率密度为309 m W·cm。因此,通过B位掺杂Mn、Co金属元素能够有效提升SFM电极材料的电催化活性,改善电荷转移与氧气和氢气在电极处吸附解离过程,进而提升单电池的输出功率密度。证明了SFMM-GDC和SFCM-GDC电极在对称固体氧化物燃料电池中具有广阔的应用前景。