铈基氧化物择优暴露晶面的表面/界面上氧的电催化还原研究

The different exposed faces such as (111), (110) and (100) of ceria based oxides show large differences in adsorption, redox property, catalytic activity, oxide ion transportation and stability because of their differences in surface composition, surface structure, surface defect and surface electronic structure. In this project, ceria based electrolyte films with repectively preferred exposed faces of (111), (110) and (100) will be prepared through by magnetron sputtering. The electrochemical reduction of oxygen on the (111), (110) and (100) faces of ceria based oxides will be investigated under various polarization conditions in order to quantify their differences in the electro-catalytic activity for oxygen reduction. Oxygen reduction will be studied at the three phase boundaries of each kinds of (111), (110) and (100) surfaces of ceria based oxides, cathode material and oxygen gas. The interaction between these different surfaces with cathode materials and their stability under various conditions will be evaluated. The cells with each of of these preferred exposed sufaces of ceria based oxides will be fabricated and investigated. The fundamentals about the different electro-catlytic properties of different exposed faces are the theoretical and technical basis for using ceria based oxides in solid oxide fuel cells.

铈基氧化物的不同暴露晶面, 如(111)、（100）、(110)，因其表面组成、表面结构、表面缺陷和表面电子结构等不同而在吸附、氧化还原活性、催化活性、氧离子传输和稳定性等方面存在很大差异。本项目采用磁控溅射法制备分择优暴露(111)、（100）、(110)等晶面的铈基氧化物膜，研究在铈基氧化物(111)、（100）、(110)等不同晶面上氧的电催化还原过程特征及其电催化活性差异；研究不同掺杂金属离子对暴露晶面的活性中心和电催化还原氧的活性影响；研究在铈基氧化物(111)、（100）、(110)等不同晶面、阴极和氧气三相界面上的氧电催化还原性能，研究铈基氧化物(111)、（100）、(110)等与阴极材料反应及界面稳定性；研究择优暴露晶面电解质膜的固体氧化物燃料电池性能特征。本项目将认识铈基氧化物不同暴露晶面的电催化性能，为发展含有铈基氧化物的固体氧化物燃料电池奠定理论和技术基础。

铈基氧化物的不同暴露晶面如（111）、（100），因其表面组成、表面结构、表面缺陷和表面电子结构等不同而在吸附、氧化还原活性、催化活性、氧离子传输和稳定性等方面存在很大差异。本项目采用磁控溅射法制备出择优暴露晶面的铈基氧化物膜，包括：GDC (100)，GDC (111)，LDC (100)，LDC (111)，Ce-Zr-O (111)，Sn-Ce-O(111)和Sn-Ce-O(100)薄膜。首次提出使用电化学阻抗谱（EIS）结合直流电压的方法研究了铈基氧化物薄膜上氧还原反应（ORR）。认识了铈基氧化物不同晶面上氧的电催化还原过程及其电催化活性差异，及不同掺杂金属离子对暴露晶面的活性中心和氧还原活性的影响。在OCV条件下，GDC (100)和GDC (111)薄膜上ORR表观活化能分别为0.43 eV和1.37 eV，随着偏压施加，薄膜上ORR表观活化能均先增加后降低。提出了择优暴露晶面上ORR还原机理，GDC(111)的速控步为空位辅助的O2-得电子步骤；GDC (100)的速控步为空位辅助的中间O22-得电子解离成O2-和O-步骤。研究了在铈基氧化物不同晶面、阴极和氧气三相界面上的氧电催化还原性能、界面稳定性以及择优暴露晶面电解质膜的固体氧化物燃料电池性能特征。具有GDC [111]薄膜的电池比没有择优取向的GDC薄膜电池具有更高的性能，择优暴露晶面的GDC [111]薄膜增加了阴极上氧解离吸附反应的活性位，加速了氧还原过程。本项目认识了铈基氧化物不同暴露晶面的电催化性能，为发展含有氧化铈基氧化物的固体氧化物燃料电池奠定理论和技术基础。