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fenbo4基碳转化固态氧化物电池研究

FeNbO4基碳转化固态氧化物电池研究

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作者：刘小菁西南大学

学位级别：硕士

固态氧化物电池是一种高温能量转换装置,该装置能够将化学能直接转换为电能,具有能量转换效率高、环境友好等优点。固态氧化物电池的工作模式分为两种:固体氧化物燃料电池(SOFC)模式和固体氧化物电解池(SOEC)模式。固态氧化物电池的发... 详细信息

固态氧化物电池是一种高温能量转换装置,该装置能够将化学能直接转换为电能,具有能量转换效率高、环境友好等优点。固态氧化物电池的工作模式分为两种:固体氧化物燃料电池(SOFC)模式和固体氧化物电解池(SOEC)模式。固态氧化物电池的发展有利于减少对化石能源为主的不可再生能源的依赖,降低温室气体排放,改变能源结构。固态氧化物电池目前面临的挑战为:在SOFC模式下,电池阳极(燃料电极)对碳基燃料适应低,从而导致整个电池的输出功率较低;在SOEC模式下,电解池阴极(燃料电极)对CO催化还原性能较差,电解池电流效率也通常较低。以研究新型固态氧化物电池燃料电极材料为目标,系统地研究了fenbo基氧化物在固态氧化物电池中不同工作模式下的应用,测试了相关性能并分析其机理。采用固相法制备了A位缺位的fenbo基氧化物,对其结构、铁离子价态等基本性能进行研究,结果表明黑钨矿结构的fenbo最大缺位量为20%;在此基础上,研究A位缺位及淬火后fenbo基氧化物的结构、铁离子价态、还原性气氛中的化学稳定性以及高温电导率等性能。虽然?-PbO结构的fenbo与黑钨矿、锐钛矿结构相比,前者在还原性气氛中具有更好的高温电导率和化学稳定性,但是其在700°C长时间还原条件下仍不稳定。因此,在fenbo基氧化物中掺杂金属元素Ti,发现其能够稳定高温相?-PbO结构,并提高氧化物的电导率与稳定性。为了解决在SOFC模式中电池阳极(燃料电极)使用碳基燃料时易出现碳沉积和硫中毒的问题,在700°C使用纳米级颗粒尺寸Ti(FeNb)O(TFN-36),作为SOFC模式中单电池阳极并对其浸渍0.5%Pd,采用200?m厚GdCeO(GDC)电解质支撑的单电池,用湿润H作为燃料时阳极极化电阻为0.03?cm,最大功率密度达到180mW cm;在液化石油气(LPG)燃料条件下,TFN-36-0.5%Pd为阳极的单电池在0.5V工作电压下26小时后仍然可以工作,并具有良好的抗碳沉积和耐硫中毒的性能。为了解决在SOEC模式中电解池阴极(燃料电极),电解CO时电极极化阻抗大和电流密度低等问题。文本应用fenbo氧化物作为电解池阴极。研究了以fenbo为阴极的电解池在SOEC模式中直接电解水蒸气的电化学性能,阐述了电解池反应的相关机理,分析在SOEC模式中fenbo阴极具有较高催化活性的原因。以黑钨矿结构的fenbo为阴极的电解池在SOEC模式中通入5%HO/Ar燃料电极,在800°C、电解电压为1.7V时,电解池极化电阻仅为0.8?cm。通过对电解池在5%HO/Ar中长期稳定测试,在800°C、1.5V电解电压下可获得0.32A cm的电流密度。fenbo为阴极的电解池在燃料电极电流的作用下还原得到以fenbo为骨架的纳米复合材料。此外,层状钙钛矿结构在H的高压电解还原过程中可以转化为fenbo和Fe的复合物,进一步电解fenbo后Nb可以还原为Nb,Nb/Nb耦合产生氧空位能够有效提高其电导率。通过Mg、Ti和Mo等元素共掺杂形成的?-PbO结构FeMgTiNbMoO(FMTNM),以FMTNM为阴极的电解池在SOEC模式中,以800°C、1.7V的电解电压,电解池极化电阻在CO、CO/HO、Ar/HO分别为0.88?cm、0.14?cm、0.16?cm。在800°C以1.7V共电解CO/HO稳定性测试中,电解池电流密度从0.39A cm上升至0.44A cm保持稳定并缓慢上升。说明FMTNM是性能优异的CO电解材料。

关键词： SOFC SOEC fenbo4基氧化物碳转化碳沉积和硫中毒

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