固体氧化物燃料电池高性能异质结构核壳阴极设计与性能研究

Solid oxide fuel cell cathode is the major limiting factor to lower the operating temperature (500-600 oC). Heterostructure cathode could enhance its oxygen reduction reaction catalytic activity by synergistic effect between each phase. Ruddlesden-Popper (R-P) materials has high oxygen surface exchange rate and catalytic activity in low temperature range, but it is not thermal compatible with electrolyte due to high thermal expansion coefficient. While perovskite could react with SrO to form R-P phase, and thus fabricating R-P phase coated perovskite frame core-shell structure cathode. And due to the lattice parameter mismatch between R-P phase and perovskite, the tensile strain could exceed the the limit of elastic stretching of perovskite that could favor both the oxygen molecule adsorption and oxygen vacancy formation. This project plan to fabricate core-shell structure cathode, explore the relationship between core-shell structure and performance, calculate the effect of lattice parameter mismatch to electrode performance, and finally develop a high performance core-shell cathode working in low temperature range.

固体氧化物燃料电池阴极是制约其向中低温（500-600 oC）发展的主要因素。而通过异质结构阴极两相之间协同作用，可以增强阴极在低温下的氧还原催化活性。Ruddlesden-Popper (R-P)相材料具有高的表面氧交换速率和催化活性，但是其热膨胀系数较高，造成其与电解质之间的热不匹配。通过利用钙钛矿和氧化锶反应生成R-P相，原位反应制备R-P相包覆的钙钛矿骨架核壳结构阴极。同时由于R-P相和钙钛矿阴极之间晶格常数不匹配产生的晶格应力，使钙钛矿骨架晶格受到的拉伸应力超过其弹性极限，氧分子的吸附和氧空位的迁移都会得到加强。本项目拟开展异质核壳结构阴极的制备，开展核壳阴极结构和性能关系的研究工作，解析核壳结构内外层材料在晶格参数上的差异对电极性能的影响范围，以此为依据发展一种低温高性能异质结构核壳阴极。

本项目结合固体氧化物燃料电池(SOFC)的发展需求，采用原位合成的方式制备具有异质结构的高性能核壳电极。本工作中采用浸渍和溶液包覆的工艺在LSCF电极表面构建LSCF214的 R-P相成分，并通过控制R-P相实现对两相界面的调控。通过系统的使用XRD，扫描电镜和透射电镜等手段研究了异质结构核壳电极的晶体结构、界面形貌和界面处晶胞参数等，确定了核壳电极微结构和浸渍工艺参数之间的演变规律，探究核壳电极结构中温SOFC开路电压、最大输出功率密度、极化电阻等电化学性能的影响。同时引入弛豫时间分布法方法解析了核壳电极成分和结构与电极反应速控步骤之间的关系。研究表明，通过在LSCF钙钛矿电极表面控制Sr离子浓度反应形成的R-P相，可以调控形成不同结构的核壳电极。一方面核壳电极中壳层的R-P相具有较高的氧还原催化反应活性，另一方面界面处由于界面匹配造成的晶格应变有助于氧空位的形成和扩散，从而在核壳电极中实现了较高的电极性能，单电池测试发现其600度下输出功率密度从400mWcm-2提高到了650mWcm-2。本项目的研究工作将为设计并可控制备高性能异质结构核壳电极提供实验和理论基础，尤其在应变驱动钙钛矿电极催化性能方面促进SOFC技术的商业化应用。