纳米线构筑的三维网络中温SOFC抗积碳复合阳极的结构与性能研究

The influence of spinning parameters for electrostatic spinning interpolymer complex spinning solution under the microwave on preparation of La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3 and YSZ nanowires will be studied firstly in the study. The morphology, phase structure, thermal stability and electrochemical properties of the nanowires will be characterized. The preparation of anti-carbon complex anode with nanowire three-dimensional network for intermediate temperature SOFC will be optimized. The mirostructure, phase structure, active phase of catalysts, topochemistry environment of complex anode and surface adsorption, intermediate state and reactants in the course of anode electrochemical reaction etc will be characterized by lots of spectroscopy technologies. Adsorption mode and coordination activation of methanol fuel on the anode, atom carbon transfer and accumulation on the surface of catalysts will be illustrated by results of density functional theory and catalytic reaction energetics methods on the base of coordinaton complexing catalysis. The variation and control methods on microcellular structure of complex anode will be studied by electricity. Nanowire three-dimensional network of anti-carbon composite anode not only be beneficaial to the diffusion and structural stability of anode reaction gas, but also greatly enhance the complex anode electrocatalytic performances due to their intergranular and surface effects. The study helps to enrich research contents of SOFC from structure, which has wide application prospect of industrialization.

本项目率先研究微波场作用下高分子络合物纺丝液的成丝参数对静电纺丝制备La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3纳米线和YSZ纳米线的影响，对纳米线的形貌、晶相结构和热稳定性及电化学性能等进行表征，优化制备纳米线构筑的三维网络中温抗积碳复合阳极。综合运用多种波谱学技术（含表面敏感的测试手段）对复合阳极的显微结构、相结构、催化剂活性相、区域化学环境等及阳极电化学反应过程中的表面吸附物种、中间态和反应物种等进行表征，结合密度泛函理论计算结果及催化反应能量学等方法，在配位络合催化作用基础上，阐明甲醇等含碳燃料的络合活化过程及裂解碎片在催化剂表面的迁移和积聚等过程；研究在通电状态下复合阳极微细结构的变化规律及调控方法；研究其抗热震性；复合阳极不但有利于阳极反应气体的扩散及结构稳定性，而且其晶界效应和表面效应将大大提高其电催化性能。本项目有助于丰富SOFC的研究内容，具有产业化应用前景。

如何实现SOFC的中低温化是目前学术界和产业界的研究热点。.中低温SOFC电池的损耗主要由电极的极化所引起，如何降低电极的极化阻抗是实现SOFC 的中温化的关键所在。 由于纳米线材料的电催化活性和电导率要远高于其相应的微米或亚微米晶材料，因此用纳米线构筑三维网络中温SOFC复合电极并对其结构与性能展开深入研究具有重要的科学意义。.采用静电纺丝法制备出LSCF纳米纤维，在600˚C、650˚C、700˚C和750˚C下，LSCF纳米纤维网络结构阴极的极化阻抗分别是1.492Ω·cm2、1.034Ω·cm2、0.413Ω·cm2和0.213Ω·cm2，比相同条件下颗粒状LSCF构建的阴极的极化阻抗小很多。纳米纤维网络结构LSCF阴极与纳米颗粒结构LSCF阴极相比，前者更有利于电子、离子的快速传导，有利于气体的渗透，电催化活性更高，极化阻抗更小。.将GDC粉体添加到LSCF纳米纤维中制备复合阴极，GDC离子浸渍LSCF纤维制备的复相阴极要比浸渍颗粒状的复相阴极的极化阻抗低。.所制备的GDC纳米纤维直径分别在0.8~1.2μm之间，经700℃煅烧后GDC纳米纤维呈立方萤石结构。测试了不同含量的GDC纤维复合LSCF纤维阴极的电化学性能，该结构的阴极也表现出较高的电化学性能，LSCF-10%GDC、LSCF-20%GDC、LSCF-30%GDC阴极在700˚C的极化阻抗分别是0.53Ω·cm2、0.33Ω·cm2及0.73Ω·cm2，当复合适量的GDC纤维时，有利于电性能的提高。.采用静电纺丝法制备的BSCF纳米纤维在650 ℃下，三维网络结构的BSCF-GDC复合阴极的极化电阻仅为0.292 Ω·cm2；在650 ℃、湿氢气（3%H2O）下， 以此阴极材料组装的NiO-GDC|GDC|BSCF-GDC单电池最大功率密度增大到0.672 W·cm-2，极化电阻为0.055 Ω·cm2。.在乙醇气氛下，Co-YSZ和Ni-YSZ阳极在700°C、750°C和800°C下的极化阻抗分别为1.2Ω·cm2、1.06Ω·cm2、0.52Ω·cm2和2.39Ω·cm2、1.16Ω·cm2、0.64Ω·cm2，Co-YSZ阳极的极化阻抗、催化活性和抗积碳性能明显优于Ni-YSZ阳极。.量子化学理论计算和IR表征可为表面化学物种的配位吸附等模式和反应机理的研究提供有力的支持。