阴离子掺杂的耐二氧化碳腐蚀的铈酸钡基质子导体电解质

BaCeO3 based ceramics have demonstrated high proton conductivity and have been extensively investigated as electrolytes for advantaged energy devices such as solid oxide fuel cells and hydrogen separation membranes. However, these materials are not chemically stable and are prone to reaction with CO2 in air. The proposal presents a novel strategy to improve the chemical stability of BaCeO3 based ceramics subjecting to CO2 in air while still maintaining high proton conductivity by doping anions such as chlorine and fluorine. The anion doped electrolytes will be fabricated with sol-gel process and glycine nitrate technique. The fabrication process will be investigated to relate the anion content in the doped electrolyte to the concentration of the precursor solution. The effect of anion doping will be investigated on electrolyte characteristics including the phase structure, proton conductivity, activation energy for conductivity, proton transfer number, thermal expansion coefficients, and sinterability. The chemical stability will be also studied as a function of CO2 concentration, temperature, and anion concentration. In addition, the application of the anion doped electrolytes will be further evaluated with solid oxide fuel cells and ceramic membranes.

铈酸钡基固体电解质材料的质子电导率较高，在固体氧化物燃料电池、致密膜的氢分离等新能源技术中具有潜在的应用价值。然而，在含CO2气氛如空气中，铈酸钡基材料的化学稳定性不足。为此，本项目提出阴离子掺杂路线，以提高铈酸钡基材料的耐CO2腐蚀性能，同时保持其较好的电导性能。并用柠檬酸盐的溶胶凝胶法、甘氨酸燃烧法等方法研制阴离子掺杂的铈酸钡基电解质材料，研究其在含CO2气氛中的稳定性规律，探索其电导性能、晶体结构、微结构等与阴离子种类、掺杂量之间的关系，从而优化阴离子掺杂质子导体的组成、结构和制备技术，发展高性能质子导体材料。进一步进行阴离子掺杂材料在燃料电池、氢的膜分离等技术中的应用研究，为发展基于质子导体的新能源技术打下理论和实验基础。

铈酸钡基固体电解质材料的质子电导率较高，在固体氧化物燃料电池、致密陶瓷膜的氢分离等新能源技术中，具有潜在的应用价值。然而，在含CO2气氛如空气中，铈酸钡基材料的化学稳定性不足，与空气中的CO2反应，生成碳酸钡等化合物。为此，本项目提出阴离子掺杂路线，以提高铈酸钡基材料的耐CO2腐蚀性能。在卤素、磷酸根、硫酸根等阴离子中，氟离子、氯离子掺杂能够有效提高铈酸钡的化学稳定性，在使用条件下，掺杂材料的晶体结构稳定、微结构无变化、燃料电池的性能稳定，氟离子、氯离子掺杂降低铈酸钡材料的碱性，从而抑制了钡离子与酸性物质CO2的反应。掺杂后，材料的烧结性能、离子电导率、质子迁移数、导电活化能等基本不变，即掺杂材料保持了铈酸钡基电解质的高导电性能，与此同时，以掺杂材料作为复合电极，提高了阴极氧还原活性。以阴离子掺杂电解质为基础，构建了固体氧化物燃料电池的单电池，700C时的功率密度，从334提高到430 mWcm-2。900℃时，阴离子掺杂电解质为基础的复合分离膜的氢渗透率为2.24×10-8mol cm-2 s-1，与未掺杂材料相当。此外，探索了固体氧化物燃料电池的阴极新材料，发现了氧还原反应的助催化剂如碳酸钡，探索了催化剂/电解质/气相的三相界面处电化学反应的新方法和理论，发展了复合体系的电化学弛豫方法，形成了测量界面反应速率常数的实验方法。形成SCI收录论文30篇，参加国际、国内学术会议，做邀请报告8次，报告18次，培养博士毕业生9名，硕士毕业生3名。