钙铁石结构混合导体材料的高温电化学性能研究

本项目研究钙铁石（A2B2O5）结构氧离子-电子混合导电材料。通过选择B位掺杂元素的种类和改变化学计量比，调控掺杂元素在钙铁石结构中的八面体和四面体占据位置，控制和调节材料的结构对称性及氧缺陷类型和浓度，从而调节材料的离子和电子混合电导率，改善材料的氧扩散和表面交换性能，提高材料的热和化学稳定性。我们拟选定A位是碱土或稀土元素，B位是过渡族金属元素铁和锰组成的氧化物，通过研究材料的结构与氧缺陷类型对材料性能的影响，探索电极材料的组成-结构-材料性能之间的相关性，研究阴极反应机理，考察钙铁石类材料在中温固体氧化物燃料电池中应用的可行性，为新型电极材料的开发提供理论依据。

中低温固体氧化物燃料电池（ITSOFC）应用研究中的一个难题是高活性阴极材料的开发。钙铁石材料是B-O八面体层和B`-O四面体层沿着b轴方向交替堆垛形成的氧化物。这种结构含有大量氧空位，且在四面体层中沿着[110]晶向存在一维有序的氧空位通道，适宜氧阴离子扩散迁移，是一种潜在的高性能阴极材料。我们率先开展了此类材料作为ITSOFC阴极的研究。在Ca2-xSrxFe2-yMyO5（M=Mn, Co）及其与CGO复合的体系中发现电化学反应的速率控制步骤为氧离子在阴极表面解离-吸附过程，锶的掺杂以及与CGO的复合均促进了电极上的氧交换反应，但是没有改变电极反应机理。在拓展研究中，考虑到钙铁石结构与类钙钛矿结构的K2NiF4材料在晶体结构上有许多相似之处，我们探索了氧化物-Ln2CuO4。发现钴掺杂La2Cu0.8Co0.2O4的极化电阻最小，700度为0.51ohmcm-2。进一步将这类材料制备成纤维，再构造成电极，性能有很大提高。其中Nd1.97Sr0.03CuO4（NSC）纳米纤维电极的极化电阻700度为0.26ohmcm-2。比LSM50/YSZ复合纳米纤维电极的极化电阻值降低了2倍，比同组成粉体电极减少50%。这个结果表明我们采用的混合导体材料具有很好的应用前景。