抗积碳A位缺陷Sr2MgMoO6/Cu复合SOFC阳极材料的研究

The low ionic and electronic conductivities of Sr2MgMoO6 (SMM) double perovskite oxide are the major obstacles preventing its application in carbon tolerant SOFC anode. In this proposal, the novel Sr2-xMgMoO6-δ/Cu composite materials prepared by the impregnation method are proposed as carbon tolerant anodes for SOFCs. Considering the high ionic conductivity of Sr2-xMgMoO6-δ (SMMx) materials induced by A-site cation deficiency and high electronic conductivity of Cu, the proposed SMMx/Cu composite material has high ionic and electronic conductivities. It is obvious that these unique properties are beneficial to ion and electron transports and three-phase reaction boundary area. The electrochemical performances of the composite anode materials are then improved. In this project, the ion and electron transport mechanism for SMMx materials will be investigated; the effect of microstructure, surface properties and ionic and electronic conductivities of SMMx/Cu composite anode materials on electrochemical performance will also be investigated. Meanwhile, the preparation methods of SMMx/Cu composite anode materials will be studied and optimized. The results of this work will be helpful for the future research on the preparation of the new generation of carbon tolerant SOFC anode with high performance from theoretical and technical aspects.

针对抗积碳SOFC阳极材料Sr2MgMoO6 (SMM)存在的离子和电子导电低的问题，本项目提出研制新型高离子电子导电和高电化学性能的Sr2-xMgMoO6-δ/Cu复合阳极材料。项目通过SMM的A位缺陷，研制出高离子导电Sr2-xMgMoO6-δ (SMMx)材料，通过浸渍法用高电子导电Cu对SMMx进行修饰，制备出高离子电子导电的SMMx/Cu复合材料。用此复合材料作阳极，既能提高离子电子输运，又能增大三相反应界面，从而有利于提高阳极电化学性能，这是本项目立项的新意和特色之处。理论层面上，研究SMMx材料的离子电子输运机制，研究SMMx/Cu复合阳极的微结构、表面性质和离子电子导电性对电化学性能的影响规律；技术层面上，研究大比表面积、高离子电子导电和优电化学性能的SMMx/Cu复合阳极材料的制备技术；该项目的研究成果将为制备新一代高性能直接碳氢SOFC阳极材料提供理论基础和技术支持。

鉴于SOFCs传统的Ni基阳极在碳氢燃料面临碳沉积问题，本项目致力于开发新型抗积碳的离子-电子混合导电的阳极材料。本项目的研究内容主要包括两部分：（1）Cu修饰的缺位型Sr2-xMgMoO6 (SMMx)双钙钛矿阳极。该部分采用溶胶凝胶法制备了缺位的SMMx双钙钛矿阳极，通过XRD、热重(TG)、热膨胀、XPS、电导率、电化学测试等手段，对其物理化学性能进行了全方位表征。研究结果表明，Sr的最佳缺位量为x=0.15。此外，通过化学浸渍的手段引入Cu，经3次浸渍后，Cu/SMM0.15复合阳极对H2和CH4的氧化展现出最佳的电化学催化活性，这主要是Cu的掺入改善了材料的电子导电性，而Sr缺位的引入提高了它的离子导电性。800 oC时，Cu/SMM0.15复合阳极在H2中的最大功率密度达到510 mW cm-2，而在CH4中的最大功率密度为214 mW cm-2。（2）La0.5Sr0.5Fe0.9Mo0.1O3 (LSFMo)钙钛矿阳极。该研究部分采用溶胶凝胶法制备了LSFMo阳极，通过XRD、能谱(EDAX)、热重、热膨胀、电导率、电化学测试等表征方法，对该阳极材料进行了热学、电学、电化学、化学兼容性和长期稳定性等方面的综合测试。研究表明，LSFMo阳极具有良好的导电性和较低的热膨胀系数。800 oC时，LSFMo阳极在H2中最大功率密度达到722 mW cm−2，而在CH4中最大功率密度也达到513 mW cm−2。此外，LSFMo阳极在CH4中表现出良好的功率循环稳定性。以上研究成果，为探索新型的可直接碳氢化合物的SOFC阳极材料提供了指导性意见，为研发SOFC阳极提供了新思路。