质子SOFC缺陷型无Co基层状钙钛矿纳米复相阴极的构筑及性能研究

The proton conducting solid oxide fuel cells (H-SOFC) have been the focus of research recent years. Low and intermediate-temperature SOFC are prospective by using film electrolyte. Thus it's critical to find potential cathode materials with high electrocatalytic activity and low polarization loss. In this proposal, Ln3+-deficiency cobalt-free layered perovskite cathode materials Ln1-xBa0.5Sr0.5M2O5+δ (Ln=Lanthanides or Y; M= Cu, Fe, Ni, Mn) are investigated as research object; Ln1-xBa0.5Sr0.5M2O5+δ nanofiber are prepared using electrospinning method and SDC nanoparticles are dipped at low temperature on the porous nanofiber network structure by impregnation method; to obtain high performance composite cathode with size-controlled nanofiber and nanoparticles by adjust material composition and preparation process; to study the influence of Ln3+-deficiency content, composition and microstructure on the electrochemical performance of cathode; to clarify the mechanism of the electronic and ion transport in a heterogeneous system; to explore the effect factors of electrode reaction process and electrochemical properties; to reveal electrochemical reaction mechanism. All the results will provide new ideas and necessary theoretical basis for design and development of new cathode materials for H-SOFC.

质子传导固体氧化物燃料电池（H-SOFC）一直是人们研究的重点。随着电解质薄膜化技术的应用，寻求能在中低温下使用的高性能阴极材料成为H-SOFC研究的重要任务。本项目从开发新材料和优化微结构两方面入手，以“Ln缺位”无Co基层状钙钛矿Ln1-xBa0.5Sr0.5M2O5+δ(Ln=Lanthanides or Y; M= Cu, Fe, Ni, Mn)为研究对象，利用静电纺丝法制备Ln1-xBa0.5Sr0.5M2O5+δ纳米纤维，利用离子浸渍技术在纤维骨架中负载Sm0.2Ce0.8O1.9纳米颗粒，构筑新型纳米复相阴极。通过调节材料组成和制备工艺，制备出纳米纤维及纳米颗粒尺寸可控的高性能复合阴极；研究缺位浓度、组分及微观结构对电化学性能的影响；阐明纳米复相阴极的电极反应过程，揭示其电催化反应机制。该研究为设计和开发新型H-SOFC阴极材料提供新的思路和必要的理论基础。

固体氧化物燃料电池（SOFC）阴极材料在中低温下的催化活性显著下降，已成为制约SOFC发展的主要因素之一。本工作主要聚焦无Co基层状钙钛矿SOFC阴极材料，研究了A位缺位及纳米纤维结构对其催化性能的影响，研究发现，缺位型纳米纤维结构阴极可以优化电子和离子传导路径，增大阴极催化活性区域，从而提高了层状钙钛矿阴极的电化学性能，并在此基础上，拓展探究了利用静电纺丝共纺技术制备复合纳米纤维阴极的性能。具体工作包括：探索和优化了PrBa0.5Sr0.5 M2O5+δ（M=Fe，Mn）、Pr1-xBa0.5Sr0.5Fe2O5+δ（x=0.00, 0.03, 0.05, 0.07）纳米纤维及Pr0.95Ba0.5Sr0.5Fe2O5+δ-SDC和Pr0.97Ba0.5Sr0.5Mn2O5+δ-SDC复合纳米纤维的静电纺丝制备工艺及SDC纳米颗粒浸渍工艺；通过系统的使用XRD，扫描电镜和透射电镜等手段研究了晶体结构和界面形貌等，利用电化学工作站进行电性能研究，确定了纳米复合电极微结构和电化学性能之间的演变规律，进一步拓展性探究了利用静电纺丝共纺技术制备的纳米纤维复合电极结构对中低温质子型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。结果表明纤维结构阴极具有连续的离子电子传输路径，将纤维结构用于SOFC阴极并复合SDC相后，增加了阴极的催化反应活性区域，改善阴极的催化性能；A位Pr缺位可以显著提高氧空位浓度，从而增强阴极内部的氧离子传输，提高单电池的电化学性能；双相纳米纤维阴极有助于扩展三相界面，从而实现了较高的电极性能。本项目的研究为设计和开发新型质子型SOFC阴极材料提供新的思路和必要的理论基础。