纳米结构SOFC复合阴极的动力学过程研究

Development of high performance cathode is the core of the intermediate and low-temperatured SOFC. The performance of the cathode will be greatly improved when the feature sizes of the micostructure is reduced from micron level to nanoscale.But the research of the catalystic and reduced mechanism about oxygen in the nano-structured composite cathode is not sufficient, which resulted in that the design about the structure and the properties of the nano-structured composite cathodes was not be controlled.In this thesis,the nano-structured composite cathodes were prepared by the infiltration technics. The effect of the nano-particles size of th infiltrated phase on the crystal structure,chemical states of the elements,ion and electron conductivity and the oxygen surface exchange and diffuse coefficent is studied.Under the condition of different skeleton materials,the influence of the infiltrated nanoparticles on the ion and electron conductivity,the oxygen surface diffusion and exchange coefficient in the cathodes is also invensitigated.The influence of the different cathode materials and the impregnation phase nano particle size on the kinetics process of oxygen in the cathode of nano composite effect is also discussed. Through the study of the objective,the effect mechanism about the cathode compostion and the nano-particle size on the cathode properties is built.The key controlled step of the oxygen reduced reacrion in the different composite cathode is founded. The achievements in this research will play the theoretical direction for the design and controlment of the cathode properties.

发展高性能的阴极是SOFC成功中低温化的核心，将阴极的特征尺寸从微米级减少到纳米级可大大改善阴极的性能，但对氧在纳米复合阴极的催化还原机理的研究尚不充分，使得研究者对纳米复合阴极的结构与性能的设计带有一定的随意性。本项目拟利用浸渗法制备纳米复合阴极，研究浸渗相的纳米颗粒尺寸对其晶体结构、元素的化合价态、阴极的离子和电子电导率、氧在阴极表面的扩散与交换系数的影响；研究在不同浸渗相、不同骨架材料条件下，浸渗相的纳米化对阴极的离子和电子电导率、氧阴极的表面扩散与交换系数的影响；研究不同的阴极材料组成、浸渗相纳米颗粒尺寸对氧在纳米复合阴极的动力学过程的影响，获得纳米复合阴极的材料组成、电极组分的纳米化对阴极的性能的影响机制，获得氧在不同纳米复合阴极催化还原过程的关键控制因素，加深对氧在纳米复合阴极的催化还原机理的理解。研究成果为纳米复合阴极性能的设计、 控制提供较为坚实的理论基础。

针对O2在纳米复合阴极的催化还原机理的研究尚不充分，使得对纳米复合阴极的结构与性能的设计带有一定的随意性、不同研究者之间的纳米颗粒浸渗相对阴极性能的改善结果很分散、难以对纳米复合阴极的性能进行设计与控制这一问题，本项目利用浸渗法制备纳米复合阴极，研究浸渗相的颗粒尺寸、浸渗相的性能、骨架材料的表面状态对氧在纳米结构复合阴极的催化还原过程的影响，获得氧在不同纳米复合阴极催化还原过程的关键控制因素，加深对氧在纳米复合阴极的催化还原机理的理解。研究成果为纳米复合阴极结构及性能的设计、 控制提供较为坚实的理论基础。.(Ⅰ) O2在LSCF-SDC复合阴极的还原主要涉及到O2在阴极表面的吸附与解离、氧离子在阴极体内的扩散和O2-在电极与电解质的界面之间的传输三个子过程，当浸渍的颗粒尺寸约为50nm，氧在阴极的还原过程主要受氧离子在催化相体内的传输步骤的限制，随浸渍相颗粒尺寸的增加，氧在阴极表面的吸附与解离反应步骤逐渐变得重要，浸渍相的晶粒尺寸达到0.5微米左右，氧在阴极表面的吸附与解离反应步骤成为反应的主要控制步骤。.（Ⅱ）改变LSCF在阴极的浸渍量并没有改变O2-在复合阴极的反应机制，阴极极化电阻LSCF浸渍量的增加先减小再增大。.（Ⅲ）在相同的浸渍条件下，浸渍相的性能对阴极极化电阻有很大的影响，浸渍相的活性越高，极化电阻越小， SSC/SDC复合阴极的极化电阻最小，LSM/SDC复合阴极的极化电阻最大，随着测试温度的升高，LSM的活性逐渐增大，电极性能的影响逐渐变得不明显；在实验结果中还可以看出，浸渍相性能不同时，氧在阴极的还原过程受不同的步骤控制， SSC/SDC和LSM/SDC复合阴极中，中、高频过程对应的反应过程为主要反应控制步骤，在LSCF/SDC复合阴极中，中、低频过程对应的反应过程为主要反应控制步骤。.（Ⅳ）HF对SDC骨架腐蚀处理后，LSCF颗粒在骨架表面均匀分布，LSCF-SDC纳米结构复合阴极的极化电阻减小，根据bode图，HF对SDC骨架的腐蚀处理对O2在阴极表面的吸附与解离及氧离子在阴极体内的扩散影响较大。