Bi2O3基低温固体氧化物电解电池结构构筑与研究

The major challenge for solid oxide electrolysis cell (SOEC) utilization is to lower its operating temperature to low temperatures (LTs, 300-600℃). With predominant oxygen ionic conductivity for Bi2O3-based electrolytes at LTs, the concept with a fuel gas barrier (FGB) between the fuel electrode and Bi2O3-based electrolyte is developed, avoiding the exposure of Bi2O3-based materials to the reducing gas, to engineer novel LT bilayer Bi2O3-based SOEC. Then the fabrication technique combining co-pressing with drop-coating is used to obtain FGB-Bi2O3 bilayer SOEC, and new materials with good thermal compatibility, fine catalytic activity and high LT ionic conductivity for FGB and air electrodes will be explored to meet the demand of high performance LT-SOEC. Furthermore, the in-situ ex-solution of nano-catalyzer from perovskite fuel electrode is applied to optimize the performance of Bi2O3-based LT-SOEC.

限制固体氧化物电解电池（SOEC）技术普及的一个主要因素是其高的工作温度，Bi2O3基电解质材料具有优越的低温（≤300-600℃）氧离子电导，本项目提出Bi2O3基电解质燃料气阻隔层（FGB）概念克服其不能直接面对还原气的缺点，构筑新型低温双层Bi2O3基SOEC；基于此，发展共压-涂浆复合制备技术获得FGB|Bi2O3基电解质双层膜SOEC，并针对低温FGB及空气极材料较少且性能不佳状况，开发热匹配性好、催化活性高及低温电导高的材料，以满足高性能低温SOEC的要求；此外基于原位析出纳米催化剂技术制备纳米结构材料以优化燃料极微结构等实现Bi2O3基低温SOEC的性能优化。

本项目主要致力于固体氧化物电解电池低温化发展，利用CeO2基纯离子导体、构建混合导体及设计元素偏析技术，结合低成本共压-浆料涂覆工艺构建燃料气阻隔层|Bi2O3双层膜结构，分别探查Bi2O3致密机理、双层膜内部主要转运过程和方式及利用电化学手段分析燃料气阻隔层设计原理；同时发展了一系列新型纳米化电极制备方法，以获得低温高催化活性空气极材料，探索其在低温工作区域主要反应过程及与Bi2O3匹配空气极低温工作电化学机理；针对燃料极，探究其金属催化发生原理及尝试应用电还原技术析出纳米燃料极金属催化剂。项目取得主要成果有：（1）基于共压-浆料涂覆技术成功获得CeO2|Bi2O3双层膜，并分析不同Bi2O3浆料浓度所致的Bi2O3微观形貌给出自收缩致密机理方式；分别改变CeO2和Bi2O3种类并结合实际测试实现理解传导与两种材料空位释放能及界面能之间关系。（2）创新性发展了一步原位自组装法获高活性纳米复合电极、原位Sr偏析技术构建纳米电极特殊表面层、放电烧结技术优化电极界面；对比性探讨Bi2O3基空气极是否存在离子相工作方式，明确了低温状态下电催化和离子传导两种因素作用。（3）研究不同孔径状态下，金属催化含量在复合燃料极中工作效果，给出了其最优设计规律；应用电偏压析出纳米颗粒技术原位获取了10-20 nm Ni-Cu合金催化剂燃料极材料，并表现出极好的可逆电池性能。（4）发展了混合导体及Ba扩散形成反应层等两种阻隔层设计方法，通过研究其电化学性能，分析工作原理给出阻隔层设计应遵循的原则。上述研究成果使我们对Bi2O3基电解池中各部件材料及结构设计与性能变化规律的关系有了更为深入的认识，理解了各电极催化作用机理，为后续实验研究打下了坚实基础，且低成本Bi2O3基电解池制备工艺为固体电解池的低温化发展及商业应用提供了更多可能。..此外，基金资助下，在国际专业杂志上发表了14篇研究论文。