新型空气极材料的设计与性能研究

利用质子型固体氧化物电解电池（SOEC）将电能转化为化学能，可以为可再生能源的高效利用另辟蹊径。在质子型SOEC中，空气极的质子迁移是其速率控制步骤。为此，本项目以固体电化学为基础，设计和制备新型质子－电子混合导体材料BaZr1－xMxO3-δ(M=Co, Fe)，着重探讨材料组成、结构与性能的依存关系，发展和优化适用于质子型SOEC的高性能空气极材料，为中温质子型SOEC的发展奠定关键材料的基础；同时研究新型空气极材料的组成、制备、微结构与其极化电动势、极化电阻、稳定性之间关系，为进一步发展在中温条件下具有高能量输出、高转换效率的薄膜化质子型SOEC，提供可靠的制备技术及应用基础研究；进一步探讨和研究基于新型单相空气极材料的质子型SOEC的空气极电化学反应机理，丰富质子型SOEC的研究内容和研究手段，为促进SOEC的应用开发提供理论基础。

在质子型固体氧化物电解电池中，制约电池性能的关键在于空气极材料。本项目在前期工作的基础上,主要取得了如下的研究成果：1)以实验结果为基础，得到了掺杂剂含量对BaZrO3基混合导体的电子电导率和质子电导率的影响，并进而探讨了电子电导率与质子电导率的比例对空气极性能的影响；2)开发了兼具高质子电导率和良好电子电导率的新型单相空气极材料BaZr0.6Co0.4O3-，以这种新型材料为空气极的电解电池在1.3V放电下的极化电阻仅为0.035Ωcm-2，比相同条件下以传统的Sm0.5Sr0.5CoO3--BaZr0.3Ce0.7O3-的极化电阻(0.41Ωcm-2)低了90%,从而极大地提高了电池的输出性能；3)以第一性原理计算为基础，探讨了基于新型单相质子-电子复合电极的电化学反应机理，结果表明在质子-电子混合导电空气极材料表面，当氧气与4个质子反应生成2个水分子的过程中，第二个水的生成垫垒最高，约为0.9V，是阴极反应的主要速率控制步骤之一，从而为选择和优化质子型SOFC的阴极材料提供理论基础；4)对燃料电池的抗积碳阳极进行了先期探索，对阳极材料的设计另辟奚径。.主要结果发表在Journal of Materials Chemistry, Journal of Power Sources, Journal of Hyrogen Energy, RSC advances等国际知名杂志上。共发论文SCI文章8篇，在投文章4篇。培养毕业博士毕业生2人，硕士生1人，硕士转博生1人。参加国际会议并做口头报告3次(一次为特邀报告)，即将参加国际会议（特邀报告）1次。基本完成项目的预期目标。