卤虫卵壳模板控制合成新型多级孔道结构催化电极材料及其性能研究

One of the effective means to lower the polarization resistance in the low-temperature Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is to design the microstructure of its electrode materials. This project aims to develop a novel catalytic electrode material for SOFC with connected hierarchically porous microstructure, which can increase the active areas, improve the TPB (electrolyte - electrode - gas three phase boundaries) length, as well as form more continuous ionic/electronic conduction pathways and gas diffusion channel, thereby enhance the electrode performance. To elaborate, a widely distributed artemia cyst shell will be applied as the natural biotemplate, combined with certain chemical template, while LiNiCuZn oxide and its composite with carbonate - samarium doped cerium oxide (CSDC) will be selected as the research system based on our pervious work. Meanwhile, through the construction of SOFC, this work will further explore the general scientific relationships between the microstructure and fuel cell performance, including catalytic activity, polarization resistance, and power density etc. Finally, a kinetic model would be established to improve the reaction kinetic theory of the porous system, and discuss the low-temperature ionic/electronic conduction and catalytic mechanism on the hierarchically porous electrode.This research would provide important fundamental data for the development of low-temperature SOFC.

设计电极材料的微结构是解决低温固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极极化等问题的有效手段。本项目拟将多级孔道结构引入SOFC领域, 通过建立连通而有序的微观结构，增加反应活性区，提高TPB（电解质-电极-气体三相边界）长度，提供更加连续通畅的离子/电子迁移以及气体扩散通道，从而提高电极的综合性能。在申请人前期研究的基础上，以LiNiCuZn氧化物及其与碳酸盐-钐掺杂氧化铈(CSDC)的复合材料作为研究体系,将卤虫卵壳天然生物模板与化学模板相结合控制合成具有不同孔径分布的多级孔道催化电极材料。并通过构造SOFC，探索电极材料微观结构与催化活性、阴极极化以及电池输出功率密度等关系的科学规律。同时建立动力学模型，完善多孔体系SOFC的动力学理论，探寻低温下多级孔道结构影响离子/电子传输及催化的深层机理。本研究将为SOFC低温化发展提供重要基础数据。

目前固体氧化物燃料电池 (SOFC)的研发主流是中温 (600-800oC)、低温 (300-600oC) 操作，以降低成本。SOFC的低温化对电池关键材料提出了新的要求。为此，项目申请人创新性的提出将多级孔道结构引入SOFC的电极材料，通过对电极材料微观结构的设计与调整，改善反应的动力学。本项目采用卤虫卵壳为模板，利用卤虫卵壳天然的多级孔结构，分别采用溶胶-凝胶法和燃烧法合成出三维多级孔道结构的LiNiCuZn氧化物及LiNiCuZn氧化物-CSDC（铈掺杂碳酸盐）。研究发现，这种三维多级孔结构可以有效提高催化反应活性，降低阴极极化，提高电池性能。在此基础上，我们对低温SOFC的工作机理进行了深入的探讨和发展，开发了基于肖特基结构造的无电解质隔膜燃料电池，该电池低温工作性能好，在550 ºC下输出功率密度高达1000 mW/cm2，比用传统方法构造的燃料电池高2倍多。此外，在完成原定研究计划的基础上，项目申请人对相关研究进一步拓展，例如以卤虫卵壳为模板，合成出多种多级孔道结构的其他金属氧化物（ZnO、TiO2、MnO2、CeO2等）；并以卤虫卵壳为碳源，制备出多种形貌的先进碳材料（如富氧多孔碳，三维石墨烯，碳纳米管等），这些材料作为燃料电池催化剂、超级电容器等均表现出很好的性能，取得了一些非常有意义的研究成果。