低温固体氧化物燃料电池抗二氧化碳阴极的研究

The absence of cathode materials with both high activity and stability is a critical bottle-necking issue restricting the development of low-temperature solid oxide fuel cells (LT-SOFC). We have developed a series of perovskite-type cathodes for LT-SOFC showing excellent oxygen reduction reaction (ORR) activity at low operating temperature, but the activity of these materials deteriorated dramatically in CO2 containing atmospheres. This project aims to develop a novel series of cathodes with high ORR activity and more importantly they will be capable of operating in CO2 containing atmospheres. A low level of alkaline cations will be introduced into the lattice of perovskite oxides. The perovskite materials will be in single phase in the absence of CO2; while the alkaline cation(s) will dealloy from the perovskite lattice and form molten carbonate(s) in the presence of CO2 at high operating temperatures. The formed molten carbonate(s) will be not only harmless to the ORR process but also improve ORR owing to enhanced oxygen adsorption, dissociation and diffusion. We will reveal the co-doping effect on the oxygen bulk diffusion in perovskites, develop the fast-sintering method for the fabrication of cathodes, and illustrate the formation of molten carbonates-perovskite interface and the ORR mechanism on such an interface. This project will lay out a theoretical foundation for the development of novel cathode materials of LT-SOFC.

制约低温固体氧化物燃料电池（SOFC）发展的瓶颈是难以获得同时具有高氧还原活性和稳定性的阴极。我们已成功研发出了一系列高活性的钙钛矿氧化物作为低温SOFC阴极，但是这些材料在含有CO2的气氛中容易失活导致性能急剧下降。针对这一问题，本项目将研究一种新型的高活性且具有自发适应CO2能力的低温SOFC阴极，拟通过在具有高催化活性的钙钛矿氧化物中掺杂少量的碱金属，使得阴极在无CO2气氛时保持单一的相结构，在CO2出现时，碱金属离子可以从钙钛矿氧化物晶格中脱出，生成相应的碳酸盐，这些碳酸盐在高温下呈熔融状态，不但不会阻碍氧气的还原过程，还能促进氧的吸附、解离和扩散，提高氧还原活性。我们将揭示共掺杂协同效应对氧在钙钛矿材料体相扩散的影响，建立阴极快速烧结制备的方法，掌握含CO2气氛中熔融碳酸盐在钙钛矿表面的演变机制，阐明熔融碳酸盐-钙钛矿界面上的氧还原机理，为新型SOFC阴极材料的研制奠定理论基础。

固体氧化物燃料电池（SOFC）将操作温度降低到中低温范围（500-800 °C）是加速SOFC技术商业化的关键步骤。目前发展的瓶颈是难以获得同时具有高氧还原活性和稳定性的阴极。我们已成功研发出了一系列高活性的钙钛矿氧化物作为低温SOFC阴极，但是这些材料在含有CO2的气氛中容易失活导致性能急剧下降。针对这一问题，本项目.开发了数种新型的Co基和Fe基SOFC阴极材料，其在低温下具有优异的电催化活性，通过共掺杂协同效应和掺杂少量的电解质等方法，使得阴极可以提高抗二氧化碳中毒能力。我们还揭示了共掺杂协同效应对氧在钙钛矿材料体相扩散的影响，建立了阴极快速烧结制备的方法，初步掌握了含CO2气氛中碳酸盐在钙钛矿表面的演变机制以及碳酸盐-钙钛矿界面上的氧还原机理，并以此开发出完全抗二氧化碳中毒的新型阴极材料，为今后SOFC阴极材料的研制奠定了理论基础。