三维有序孔氧化物复合阴极的可控制备及电化学性能研究

Oxides composite cathodes with three-dimensional ordered porous structures are prepared by template assembly technology combining impregnation method. Through the reasonable selection of the template agents, the template particle size, the precursor concentration, the etching time and the heat treatment process, the controllable preparation of the three-dimensional ordered porous framework can be realized. Further introducing nanometer cathode materials in the framwork by impregnation method, the final composite cathodes with three-dimensional ordered porous structures are obtained. The porous structure and the composition of the cathode are controlled by the impregnated material composition, the precursor concentration and the sintering parameters. Test half-cells are constructed on these special cathodes, and the cell performances are explored. The effects of cathode microstructures to the performances are evaluated to reveal the connection of composition, microstructure and property. Through the study of the reaction mechanism of this special designed cathode, we can provide a theory basis to develop and optimize new electrode materials.

将模板组装技术和浸渍手段相结合，制备具有三维有序孔结构的纳米复合阴极。通过调节模板剂类型，模板颗粒尺寸，刻蚀时间，浸渍溶液配比及浓度，热处理条件等各项工艺参数，实现三维有序孔结构骨架材料的设计制备；进一步在骨架材料上采用浸渍法沉积纳米阴极材料，调控浸渍材料组成、浸渍液浓度和烧结条件得到三维有序孔复合阴极；以此复合阴极构造半电池进行测试，探索电极微结构与电性能之间的关联，揭示材料组成-微结构-材料性能之间的规律，研究阴极反应机理，为阴极性能优化设计提供理论依据。

前期研究表明，随着操作温度的降低，SOFC电池的性能会受到显著影响，尤其是阴极性能的衰减成为电池整体性能下降的主要原因。因此开发中低温下具有良好催化能力的新型阴极材料是目前研究的重点课题。为了提高SOFC阴极的电性能，研究工作已经不能仅限于组成和晶体结构的筛选，电极微观结构的设计制备成为电极性能优化的一个重要手段。本项目采用PS和SiO2微球自组装方法结合溶胶凝胶技术，成功得到系列具有三维有序孔道结构的阴极材料，确定了最佳制备工艺条件。电催化机理研究表明，这种三维有序孔道结构设计有效的改善了电极上的传质过程，优化了电极反应动力学过程。进一步的实验研究表明，采用SiO2微球作为造孔剂，在合适的用量下形成三维互通孔道结构阴极，电极的电化学性能进一步得到提高，这种简化的电极制备工艺有潜在的应用前景。作为上述研究结果的拓展，采用静电纺丝技术得到系列氧化物纳米纤维材料，并构筑三维网状结构复合阴极，详细研究了电极微观结构对于电化学氧还原性能的影响。发现纳米线状纤维材料构筑的电极具有最佳性能，这与其较大的比表面积，适宜的孔道分布以及良好的导电性能有关。利用MOF材料具有的内在有序孔道结构，通过控制合成和热处理条件，得到系列碳包覆的多孔氧化物材料。这种材料结合了碳的高导电性能和纳米多孔结构氧化物的大比表面积以及高催化能力，展现出优异氧电极性能。其中石墨烯包裹的壳核结构Co3O4表现出明显优于IrO2的OER催化能力，具有潜在应用价值。在优化电极微观结构的同时，开展了双钙钛矿结构新型钴系氧电极材料的研究。发现高价态钴是决定OER/ORR活性的主要因素，并据此提出氧催化反应机理。本项目研究结果为新型氧电极材料的开发及性能优化提供了详实实验数据，提出的机理模型对于后续研究工作具有理论指导价值。