固体氧化物燃料电池Sm0.5Sr0.5MnO3/La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3核壳结构阴极的结构优化与性能调控

Solid oxide fuel cells are now developing towards the intermediate temperature range between 650 and 800°C, the cathodes could not meet the application requirements. The traditional cathode, La0.8Sr0.2MnO3(LSM) is lack of enough electrochemical performances, while the mixed ionic and electronic conductors, such as La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3（LSCF）encounters problems, like low stability, not compatible with electrolytes, not tolerant to Cr vapor. Therefore, the LSCF with high oxygen ionic and electronic conductivity was coated with dense Sm0.5Sr0.5MnO3 (SSM55) film to improve the long-term performance and stability of the cathode. We will be devoted to investigate on the influence of structure on performance, measurement of the electrochemical performance and the long-term stability of the core-shell cathode. We will also aim at solving key scientific problems, such as, the effect of evolution law of the core-shell interface and composition on the electrochemical performance, the oxygen reduction reaction (ORR) mechanism and rate-determining steps, as well as the degradation mechanism of the cathode performance, thus, developing novel core-shell cathode with high electrochemical performance and long-term stability for IT-SOFC.

目前固体氧化物燃料电池正朝着中低温范围（650~800°C）发展，然而现有的阴极性能均不能完全满足其应用要求。传统的La0.8Sr0.2MnO3（LSM）阴极材料在中低温下电化学性能不足，而具有混合氧离子电子电导材料La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3（LSCF）阴极在长期运行下存在着稳定性较差，易与传统电解质YSZ发生反应，被Cr毒化等问题。因此，本项目采用具有较优氧吸附脱附能力且结构稳定的Sm0.5Sr0.5MnO3（SSM55）材料包覆混合氧离子电子LSCF骨架材料制备成核壳结构复合阴极。我们将在核壳结构阴极结构优化与性能提升、界面特征和化学相容性、阴极长期稳定性等方面展开研究。旨在解决核壳结构界面和相组成演变规律对阴极电化学反应活性的影响，氧还原反应动力学和速率控制步骤，阴极衰减机理等关键科学问题，研发出具有新型核壳结构的高性能稳定的中温SOFC阴极。

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种直接把燃料中的化学能转化为电能的发电装置。由于阴极上发生的氧还原反应的活化能较高、电极反应速率较慢，开发适合于中温SOFC（IT-SOFC）且有较高催化性能的阴极材料是目前研究的热点。本项目主要围绕构建核壳结构阴极并优化阴极组成来提升ORR性能，主要结论如下：.1.开发了一种新Sm0.5Sr0.5MnO3 (SSM) @ Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ　(BSCF) + Gd0.1Ce0.9O1.95 (GDC) 核壳结构复合阴极。结合了BSCF的高氧体扩散能力和离子电子混合导电性以及SSM的高氧表面交换能力。采用SSM异丙醇溶液注入制备的电极电化学性能和微观形貌较好，且注入量为20 %时性能最优，在750和800 ºC下的极化阻值分别为0.25和0.09 Ω•cm2，是一种有潜力的IT-SOFC阴极材料。.2.A位缺位策略设计无锶无钴La1-xNi0.6Fe0.4O3（x=0~0.08）钙钛矿具有与LaNi0.6Fe0.4O3相同的相结构以及与GDC电解质较匹配的热膨胀系数，最优组分La0.94Ni0.6Fe0.4O3阴极在800 ℃空气中的极化阻值为LaNi0.6Fe0.4O3的1/3，其单电池在800 ℃下发电功率为0.45 W•cm-2，且在800 ℃下50 h的极化阻值基本保持在0.18 Ω•cm2，而LaNi0.6Fe0.4O3阴极的极化阻值增加了15 %。证实了A位缺位La0.94Ni0.6Fe0.4O3具有更高的ORR催化活性以及优异的稳定性。.3.构建了La0.94Ni0.6Fe0.4O3(LNF94) @ La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3（LSCF）核壳结构阴极，提升了LNF94的活性并抑制LSCF阴极表面的SrO的析出。注入150 uL的LNF94前驱液的LNF94@LSCF核壳结构阴极具有更高的ORR催化反应活性以及稳定性，在800 ℃时测得的阴极极化阻值为0.04 Ω•cm2，其单电池发电功率达到了1.08 W•cm-2，较纯LSCF阴极的单电池增加了1.5倍。通过计算LSCF以及LNF94能带分析了所构成的异质界面，异质界面有效加速了氧分子的解离过程，并提升ORR催化活性，并使该复合阴极具备抗Cr及CO2毒化能力。