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固体氧化物电解池新型阳极材料设计、制备与性能研究

作　者: 王靖
导　师: 邓长生
学　校: 清华大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 固体氧化物电解池 阳极 电化学性能 三相界面 氧分压
分类号: TM910.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


根据平板式高温固体氧化物电解池对阳极材料性能的要求，分别对La0.8Sr0.2MnO3（LSM）和La0.8Sr0.2FeO3（LSF）两种体系的四种阳极材料进行研究，采用了X射线衍射谱（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、电化学阻抗谱（EIS）、X射线光电子能谱（XPS）等分析测试手段，从材料的成分和微观形貌入手，分析了在温度、氧分压和极化电流作用下，阳极的电化学性能变化。首先选取xLSM-（100-x）YSZ（0<x<60wt%）复相材料体系，深入研究了该体系随着LSM掺入量的变化，直流电导率转变机制、LSM与YSZ两相的三维连通模型、以及电化学特性的变化规律。结果表明，当x从10增加到30时，该体系的导电机制由离子导电向电子导电转变。当x=20，电导率激活能最大。根据实验结果，提出了该复相材料的三维连通模型，并发现LSM有效电导率与其体积分数的关系符合改进的Koh-fortini关系，该公式的模拟结果与实验测量数据基本吻合。对于多孔LSM-YSZ复合阳极，随着氧分压的增加，极化电阻大幅度减小，但随着孔隙率的增加，阻抗谱中低频弧的半径明显减小。通过微分阻抗谱分析，发现只有中频弧和低频弧与氧分压有关。随着孔隙率的增加，扩散过程的弛豫时间在缩短。而对于多孔LSF电极，随着孔隙率的增加，阳极极化电流对阻抗谱低频部分影响越来越明显，极化电阻随着极化时间延长而增加。采取离子注入法将LSM纳米颗粒引入LSF电极骨架，可以使具有催化活性的纳米颗粒均匀地分布在LSF电极表面，起到修饰效果。其极化电阻在800oC时为0.27·cm2，比单相的LSF和LSM低。进一步采用非水基LSM前驱体溶液包覆LSF电极，制备出芯壳结构电极。研究发现，0.010mol·L-1前驱体溶液所制备的芯壳结构电极，在800oC时其极化电阻约为0.30·cm2；并且在1A·cm-2阳极电流下极化处理20h后，极化电阻增加幅度比LSM-YSZ复合电极小近7倍，表明具有一定的抗阳极极化的潜力。针对经过LSF纳米颗粒修饰的LSF电极，建立了该电极结构的三相界面模型。基于电荷传输和质量传递机制，该模型中将三相界面的长度作为分析阳极浓差过电势的一个因素。模拟结果表明，纳米颗粒修饰后的电极的三相界面长度比传统方法制备的LSM-YSZ复合电极大58个数量级；而浓差过电势随着三相界面长度、氧分压、孔隙率、孔径四个因素的增加而减小，随着阳极厚度的增加而增加。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
主要符号对照表  9-11
第1章 引言  11-31
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 固体氧化物电解池  12-17
    1.2.1 固体氧化物电解池工作原理  12-14
    1.2.2 固体氧化物电解池研究进展  14-16
    1.2.3 固体氧化物电解池结构  16-17
  1.3 阳极  17-24
    1.3.1 钙钛矿结构  18-20
    1.3.2 阳极材料  20-24
  1.4 阳极材料的性能表征手段  24-27
    1.4.1 直流电导率  24-25
    1.4.2 极化电阻  25-26
    1.4.3 面积比电阻  26-27
    1.4.4 衰减速率  27
  1.5 阳极研究现状  27-29
    1.5.1 实验研究  27-28
    1.5.2 模拟研究  28-29
  1.6 研究目标与思路  29-30
    1.6.1 研究目标  29
    1.6.2 研究思路  29-30
  1.7 论文结构  30-31
第2章 LSM-YSZ 直流电导率转变机制及三维连通模型  31-44
  2.1 引言  31-32
  2.2 实验  32-34
    2.2.1 粉体合成  32
    2.2.2 样品制备  32-33
    2.2.3 物相分析  33
    2.2.4 性能表征  33-34
  2.3 结果分析与讨论  34-43
    2.3.1 物相分析  34-35
    2.3.2 微观形貌分析  35-36
    2.3.3 直流电导率  36-41
    2.3.4 电化学性能  41-43
  2.4 小结  43-44
第3章 孔隙率对 LSM-YSZ 与 LSF 阳极电化学性能的影响  44-70
  3.1 引言  44-45
  3.2 实验  45-50
    3.2.1 粉体制备  45-46
    3.2.2 电极制备  46-47
    3.2.3 结构表征  47-48
    3.2.4 性能表征  48-50
  3.3 结果分析与讨论  50-69
    3.3.1 物相分析  50-51
    3.3.2 微观结构分析  51-55
    3.3.3 电化学性能分析  55-69
  3.4 小结  69-70
第4章 LSM 包覆 LSF 电极的电化学性能研究  70-90
  4.1 引言  70-71
  4.2 实验  71-74
    4.2.1 粉体合成  71
    4.2.2 电极骨架制备  71-72
    4.2.3 LSM 纳米颗粒修饰 LSF 电极的制备  72-73
    4.2.4 LSF@LSM 芯壳结构电极的制备  73-74
    4.2.5 半电池的制备  74
    4.2.6 结构与性能表征  74
  4.3 结果与讨论  74-89
    4.3.1 物相分析  74-77
    4.3.2 形貌分析  77-79
    4.3.3 电化学性能分析  79-89
  4.4 小结  89-90
第5章 阳极数值模拟初探  90-105
  5.1 引言  90-91
  5.2 模型的建立  91-97
    5.2.1 LSM 纳米颗粒修饰 LSF 电极的 TPB 模型  91-94
    5.2.2 阳极浓差极化模型  94-97
    5.2.3 模型主要参数  97
  5.3 结果与讨论  97-104
    5.3.1 模型合理性验证  97-99
    5.3.2 LSM 纳米颗粒修饰 LSF 电极的模型模拟结果  99-100
    5.3.3 阳极浓差极化模型的模拟结果  100-104
  5.4 小结  104-105
第6章 结论与展望  105-107
  6.1 结论  105
  6.2 展望  105-107
参考文献  107-119
致谢  119-121
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  121

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术（直接发电） > 一般性问题 > 材料
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