用天然气做燃料极空气做氧化极的燃料电池.docx

用天然气做燃料极空气做氧化极的燃料电池燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极（负极即燃料电极和正极即氧化剂电极）以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池氢一氧燃料电池反应原理这个反应是电解水的逆过程。电极应为：负极：H2+20M2H2O+2e正极：l22+H2O+2e201电池反应：H2+l202=H20另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。在实用的燃料电池中因工作的电解质不同，经过电解质与反应相关的离子种类也不同。PAFC和PEMFC反应中与氢离子（H'）相关，发生的反应为：燃料极：H2=2H'+2e（1）空气极：2H+l202+2e=H20（2）全体：H2+l202=H20（3）在燃料极中，供给的燃料气体中的压分解成H和°一，H移动到电解质中与空气极侧供给的发生反应。经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了。不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。并且从上式中的反应式（3）可以看出，由比和生成的乩0,除此以外没有其他的反应，出所具有的化学能转变成了电能。但实际上，伴随着电极的反应存在一定的电阻，会引起了部分热能产生，由此减少了转换成电能的比例。引起这些反应的一组电池称为组件，产生的电压通常低于一伏。因此，为了获得大的出力需采用组件多层迭加的办法获得高电压堆。组件间的电气连接以及燃料气体和空气之间的分离，采用了称之为隔板的、上下两面中备有气体流路的部件，PAFC和PEMFC的隔板均由碳材料组成。堆的出力由总的电压和电流的乘积决定，电流与电池中的反应面积成比。PAFC的电解质为浓磷酸水溶液，而PEMFC电解质为质子导电性聚合物系的膜。电极均采用碳的多孔体，为了促进反应，以Pt作为触媒，燃料气体中的CO将造成中毒，降低电极性能。为此，在PAFC和PEMFC应用中必须限制燃料气体中含有的CO量，特别是对于低温工作的PEMFC更应严格地加以限制。磷酸燃料电池的基本组成和反应原理是：燃料气体或城市煤气添加水蒸气后送到改质器，把燃料转化成H八CO和水蒸气的混合物，CO和水进一步在移位反应器中经触媒剂转化成乩和C02.经过如此处理后的燃料气体进入燃料堆的负极（燃料极），同时将氧输送到燃料堆的正极（空气极）进行化学反应，借助触媒剂的作用迅速产生电能和热能。相对PAFC和PEMFC,高温型燃料电池MCFC和SoFC则不要触媒，以CO为主要成份的煤气化气体可以直接作为燃料应用，而且还具有易于利用其高质量排气构成联合循环发电等特点。MeFC主构成部件。含有电极反应相关的电解质（通常是为Li与K混合的碳酸盐）和上下与其相接的2块电极板（燃料极与空气极），以及两电极各自外侧流通燃料气体和氧化剂气体的气室、电极夹等，电解质在MCFC约60(700C的工作温度下呈现熔融状态的液体，形成了离子导电体。电极为银系的多孔质体，气室的形成采用抗蚀金属。MCFC工作原理。空气极的。2(空气)和CO2与电相结合，生成C(V(碳酸离子)，电解质将C(V-移到燃料极侧，与作为燃料供给的M相结合，放出e,同时生成HzO和CO2。化学反应式如下：燃料极：H2+C032=H20+C02+2e(4)空气极：C02+l202+2e=C032(5)全体：H2+l202=H20(6)在这一反应中，。一同在PAFC中的情况一样，它从燃料极被放出，通过外部的回路反回到空气极，由。在外部回路中不间断的流动实现了燃料电池发电。另外，MCFC的最大特点是，必须要有有助于反应的C离子，因此，供给的氧化剂气体中必须含有碳酸气体。并且，在电池内部充填触媒，从而将作为天然气主成份的CH,在电池内部改质，在电池内部直接生成山的方法也已开发出来了。而在燃料是煤气的情况下，其主成份CO和上0反应生成比，因此，可以等价地将CO作为燃料来利用。为了获得更大的出力，隔板通常采用Ni和不锈钢来制作。SOFC是以陶瓷材料为主构成的，电解质通常采用ZrO2(氧化错),它构成了仁的导电体Y2O3(氧化忆)作为稳定化的YSZ(稳定化氧化错)而采用。电极中燃料极采用Ni与YSZ复合多孔体构成金属陶瓷，空气极采用LaMno3(氧化锢镒)。隔板采用LaCrO3(氧化锢格)。为了避免因电池的形状不同，电解质之间热膨胀差造成裂纹产生等，开发了在较低温度下工作的SOFC。电池形状除了有同其他燃料电池一样的平板型外，还有开发出了为避免应力集中的圆筒型。SOFC的反应式如下：燃料极：H2+02=H20+2e(7)空气极：l202+2e=()2-(8)全体：H2+12O2=H2O(9)燃料极，压经电解质而移动，与0.反应生成H2O和9。空气极由Oz和院生成0。全体同其他燃料电池一样由乩和O?生成H?0。在SOFC中，因其属于高温工作型，因此，在无其他触媒作用的情况下即可直接在内部将天然气主成份C乩改质成H2加以利用，并且煤气的主要成份CO可以直接作为燃料利用。组成结构。燃料电池的主要构成组件为：电极(EIeCtrodc)、电解质隔膜(ElectrolyteMembrane)与集电器(CurrentCollector)等。1、电极燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所，其性能的好坏关键在于触媒的性能、电极的材料与电极的制程等。电极主要可分为两部分，其一为阳极（Anode）,另一为阴极（Cathode）,厚度一般为200500mm；其结构与一般电池之平板电极不同之处，在于燃料电池的电极为多孔结构，所以设计成多孔结构的主要原因是燃料电池所使用的燃料及氧化剂大多为气体（例如氧气、氢气等），而气体在电解质中的溶解度并不高，为了提高燃料电池的实际工作电流密度与降低极化作用，故发展出多孔结构的的电极，以增加参与反应的电极表面积，而此也是燃料电池当初所以能从理论研窕阶段步入实用化阶段的重要关键原因之一。目前高温燃料电池之电极主要是以触媒材料制成，例如固态氧化物燃料电池（简称SOFO的Y2O3stabilizedZr2（简称YSZ）及熔融碳酸盐燃料电池（简称MCFe）的氧化银电极等，而低温燃料电池则主要是由气体扩散层支撑薄层触媒材料而构成，例如磷酸燃料电池（简称PAFC）与质子交换膜燃料电池（简称PEMFC）的白金电极等。2、电解质隔原电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，故电解质隔膜越薄越好，但亦需顾及强度，就现阶段的技术而言，其一般厚度约在数十毫米至数百毫米；至于材质，目前主要朝两个发展方向，其一是先以石棉（Asbestos）膜、碳化硅SiC膜、铝酸锂（LiAlO3）膜等绝缘材料制成多孔隔膜，再浸入熔融锂一钾碳酸盐、氢氧化钾与磷酸等中，使其附着在隔膜孔内，另一则是采用全氟磺酸树脂（例如PEMFC）及YSZ（例如SOFOo3、集电器集电器又称作双极板（BipolarPlate）,具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用，集电器的性能主要取决于其材料特性、流场设计及其加工技术。下面介绍一种新型PAFC燃料电池。这种新型燃料电池的结构如下图所示负极正极双极板燃料电池其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成。不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，因此，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。空气极的。2(空气)和C02与电相结合，生成C(V-(碳酸离子)，电解质将C(V移到燃料极侧，与作为燃料供给的M相结合，放出,同时生成比0和CO2。化学反应式如下：燃料极：H2÷C032=H20+C02+2e(4)空气极：C02+l202+2e=CO(5)全体：H2+l2O2=H2(6)天然气，主要由甲烷(85%)和少量乙烷(9%)、丙烷(3%)、氮(2%)和丁烷(1%)组成，通过玻璃管进入到燃料电池的负极管中的电解池中，空气或氧气通过玻璃管进入到燃料电池的正极管中的电解池中，玻璃管正极玻璃管的末端是正极，负极玻璃管的末端是负极，电极均采用多孔高银钢管或钙钛矿金属氧化物,阴极为银酸钢复合氧化物，或阴极为锢系铁酸盐/银酸盐复合阴极材料，或阴极为SnIo.5Sr0.5Co03材料，或阴极为Sn.5SrO.5Co03-LaO.8SrO.2GaO.8MgO.15CoO.0503复合阴极,阳极为银-铁-铁酸翎复合阳极物。或阳极为绿酸锄基SOFC阳极。或阳极为复合电极La-Ni-B。或阳极为银-绿酸制复合阳极，或阳极为基于钵铁掺杂的铝酸盥锢的燃料电池阳极复合材料燃料电池的电解池由铝银钢构成，双极板为316L不锈钢双极板。隔膜由两层石棉膜中间加一层玻璃棉，一层海绵，一层活性炭膜，一层石墨粉末制造。电解液主要成分为碳酸锂，碳酸钾，磷酸锂，磷酸钾，磷酸钠水溶液。用汽油喷灯将燃料电池加热到60070(C,电解液中的碳酸锂，碳酸钾，磷酸锂，磷酸钾，磷酸钠水溶液形成水蒸气雾化后的气态。天然气在阴极电解液中在铁元素的催化下变成氢气，氢气和碳酸根离子反应生成水和电子。电子通过隔膜进入阳极电解室。空气中的氧气和二氧化碳在阳极电解液中和电子反应生成碳酸根。碳酸根通过隔膜进入阴极电解室。钢系铁酸盐/银酸盐复合阴极材料的制备方法可见专利种铁酸锢/锲酸锢系燃料电池膜电极材料及其制备方法，专利号为201711455372.3。它的制备方法如下。将固相烧结的钮掺杂氧化错材料与锢系硝酸盐和铁源、含Sr助剂混合球磨，含Sr助剂中包含少量锢类氧化物，形成YSZ-Lal-xSrxFcO3类材料前驱体浆料。之后将球磨后的浆体均匀涂覆在银酸盐基阵列上，经过预烧，烧结，保温，剥黑基底等工序，制备得到锄系铁酸盐/银酸盐复合阴极材料。制备的膜电极材料结构为镯系铁酸盐包覆YSZ材料形成钙钛矿网状结构骨架，银酸盐与La系复合为钙钛矿网格填充材料，合成一种双钙钛矿结构更合的阴极材料。可以在保持银酸盐的高质子迁移率和电子迁移率的同时防止与YSZ电解质发生反应，同时铁盐的引入可以稳定其钙钛矿结构，解决了传统LaSrFeNi03类材料镁掺杂后引起的催化活性下降的问题。二甲醛燃料电池银-铁-钱酸副复合阳极的研究掺杂的钱酸锢具有高的氧离子电导率、氧迁移数以及较好的稳定性，是一种有前景的中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)电解质材料。以掺杂的铁酸翻为电解质的高性能二甲醛(DME)ITSOFC的开发逐渐引起人们的兴趣。本文考察了锲-铁-铁酸锄材料作为DME燃料电池阳极的性能，并对用于阳极测试的三电极测试体系进行了初步研窕，分析了参比电极位置、对电极活性对测试结果的影响。用浸渍法制备了系列Ni-Fe-1.aO.8SrO.2GaO.8MgO.115Co0.08503(Ni-Fe-LSGMC8.5)复合阳极，LSGMC8.5占电极质量的25wt%0利用多种技术考察了电极物相组成、微观结构以及催化氢、二甲醛氧化的电化学性能。结果表明，银、铁在电极中以合金的形式存在，并与钱酸翎存在一定的反应。电极以及电极/电解质界面的微观结构与电极中Ni-Fe摩尔比有关，铁含量的增加促进了电极的烧结并改变了电极/电解质界面的微观结构。Ni：FC为8：2(Ni8-Fe2)至7：3(Ni7-Fe3)的电极具有好的电极以及电极/电解质界面结构，并具有较小的电极极化电阻以及欧姆电阻。其中Ni8-Fe2LaO.8SrO.2GaO.8MgO.15CoO.0503(LSGMC5)/SmO.5SrO.5Co03-LSGMC5电池在1073K,以H2和DME为燃气时的最大功率密度分别为1.20、0.99Wcm-20考察了Ni8-Fe2阳极催化二甲醛氧化的稳定性与积碳特性。以50%DUE为燃料、1073K下，电极具有高的活性与稳定性，电极中不存在明显的积碳现象。随着温度的降低，电池性能的衰减较快，并出现了积碳。初步研究了1073K下Ni8-Fe2电极上进行的DME氧化反应动力学。反应速率的氧活度级数为K反应速率与DME分压的关系比较复杂，在低DME分压下反应速率随DME分压的增加而增加，在高DME分压下略有减小。首次系统研究了参比电极位置、对电极活性对三电极测试结果的影响。结果显示，参比电极位置对工作电极活性高于对电极体系的测试有较大影响，而对低活性工作电极的测试没有明显影响。利用三电极体系表征电极，需保证对电极活性明显高于工作电极像酸胸基固体氧化物燃料电池锲-铁-钱酸像!组合阳极的研究掺杂的铁酸镯具有高的氧离子电导率、氧迁移数以及好的稳定性，是一种有前景的中温固体氧化物燃料电池(ITSOFe)电解质材料。高性能阳极的开发是以掺杂的绿酸锄为电解质的ITSOFC的重要研究内容。本文考察了Ni-Fe-钱酸银复合阳极的化学稳定性、电化学活性以及活化现象。用浸渍法制各了系列Ni-Fe-铁酸锢复合阳极，并采用XRD技术考察了阳极的物相。结果表明，NiO与钱酸胸粉末具有良好的化学相容性，在经1473K空气中焙烧后的电极中未观察到新的物相。在高温下，复合电极中金属Ni与铉酸锢粉末在氢气中发生反应。首次发现在阳极中掺入Fe可以显著抑制Ni与钱酸翎的反应。Ni与钱酸锢的反应还受到掺杂的钱酸锢粉末的种类以及电极焙烧温度的影响。采用交流阻抗、直流极化等技术考察了Ni-Fe-LaO.8SrO.2GaO.8MgO.15CoO.0503-(LSGMC5)复合阳极组成对于电化学性能的影响。随着电极中Fe含量的增加，电极的欧姆电阻和极化电阻显著减小。电极性能的提高是由于Fe改善了电极以及电极/电解质界面的微观结构、抑制了Ni与LSGMC5的副反应。电极中LSGMC5粉末含量对于电极催化氧气及二甲醛电化学氧化反应的影响显著不同，LSGMC5对于二甲醛的氧化具有特殊的催化作用。不同燃气下，电极极化电阻均随LSGMC5粉末含量的增加而减小，以二甲醛为燃气时，LSGMC5掺杂量为30%的复合阳极具有最高的电化学性能。以氢气为燃气时，LSGMC5掺杂量为20%的阳极的电化学性能最高，随着LSGMC5掺杂量的进一步增加，电极极化电阻显著增大。首次报道了高温阳极极化可以显著提高Ni8-Fe27SGMC5性能的现象。高温极化后，电极的极化电阻与欧姆电阻均显著减小。极化后电极的性能与极化电流密度、极化时间、极化温度有明显的关系。电极性能的提高与极化卜.电极以及电极/电解质界面微观结构的改变有关。钱酸翎基SOFC阳极的制备及性能研究采用机械混合法制备与钱酸镯匹配的阳极Ni-CeO.7LaO.301.85,为了避免阳极中的金属Ni与锡酸知电解质扩散发生界面间的有害反应,采用固相反应法制备La203掺杂的CeO2作为阻挡层涂敷烧结在电解质和阳极之间,在此基础上制备了具有优异活性的阳极。NiO含量40%,48%的阳极均较相同配比无阻挡层阳极的极化小,可见阻挡层加入后阳极的催化活性提高。组装模拟电池后测试功率密度时发现,无阻挡层的燃料电池在800工作时的最大功率密度达到0.363Wcm-2,有阻挡层燃料电池的最大功率密度为0.203WCm-2。碳氢燃料固体氧化物燃料电池阳极制备及电化学性能研究固体氯化物燃料电池(SOFe)使用H2为燃料最为理想,然而较高的生产和储运成本限制了其大规模的应用;与之相比,碳氢燃料价格低廉,便于大规模推广,但传统的银基金属陶瓷阳极在使用碳氢燃料时会产生严重积碳,导致电池性能衰减。为解决这一问题,本论文分别制备了低Ni含量Ni(I-x)Fe_x0_(l+6)-SSZ复合材料阳极和全陶瓷La(0.6)Sr(0.4)Cj(I-X)Fe_x0_(3-6)阳极并进行相关研究。首先,本论文采用自燃烧法合成了不同Ni含量的Ni_(l-x)Fe_xO_(l+)粉体,研究表明当Fe掺杂量X不超过0.5时,Ni_(l-x)Fe_xO_(l+)还原产物仍能雇持立方相Ni-Fe合金。分别以H2、CHJI和Co为燃料涮定了不NL(bx)Fe_xO_(l+)-SSZ阳极SOFC单电池的性能,结果表明随Fe掺杂量X的增加，电池放电性能出现下降,但以Ni_(0.75)Fe_(0.25)0_(1+)-SSZ为阳极的SOFC单电池使用CH_4和CO为燃料时能够稳定工作10ho晶阳极积胰的研究表明电池长期稳定性与阳极积碳石墨化程度的变化有关。为进一步优化电池性能,采用浸渍法制备了Ni_(0.75)Fe.(0.25)0jl+)-SSZ-Ce0_2复合阳极,确定CeO_2的最佳浸渍量为20wt%,电池在800?C下最大放电功率分别可达235.46(CH_4)和323.71mWcm-2(CO)。其次,本论文采用高温固相法制备了1.a(0.6)Sr_(0.4)Cr_(l-x)Fe_xO_(3-8)(LSCrFe)系列全陶瓷阳极材料,研究表明当掺杂量X为0.20.4时,LSCrFe在高温还原气氛中稳定性良好。当掺杂量x=0.4时LSCrFe电导率最大,80(TC下氢气中达到1.49ScmT;当掺杂量x=0.4时极化电阻最小,为1.358Q-cm2,以其为阳极制成SOFC单电池,采用氢气为燃料时850C下最大放电功率为122.65mW-cm-2,而以CH_4和CO为燃料时性能较差。为进一步优化阳极性能,采用机械混合法制备LSCrFe-SDC阳极,研究发现,当复合阳极中SDC含量为30wt%时极化电阻最小,为0.759Q-cm2;电池以H2、CH_4和CO为燃料最大放电功率分别为15L24(850C),90.93(950C)和132.05mW-cm-2(850C);研究中还探索了浸渍法制备LSCrFe-SDC浸渍复合阳极,确定SDC的最佳浸渍量为10wt%,使用H2、CH_4和CO为燃料时SOFC的最大放电功率分别为251.35(850C)、158.37(950C)和223.33mWcr2(85(C),并且阳极表面未发生明显积碳现象。绿酸锄基中温固体氧化物燃料电池的制备及性能研究本研究采用非水基流延法制备大面积钱酸锄(La_(0.9)Sr_(0.l)Ga_(O.8)Mg_(0.2)0_(3-)简称LSGM)电解质支撑体,并对与之相匹配的新型高性能电极的材料制备、组织结构和各方面性能特别是电化学性能进行详细系统的研究,为大功率电池堆的组装打下坚实的基础。对固相反应法合成LSGM粉体的制备工艺进行优化,确定了LSGM粉体的最佳煨烧制度为:900预烧24h,1300°C搬烧36h,得到粉体平均粒径为3.04限随后通过沉降试验和粘度测试,确定了LSGM的流延浆料组成:粉料一LSGU80g,溶剂一丁酮/乙醇36mL/24mL,分散剂一三乙醇胺2mL,粘结剂一聚乙烯缩丁醛6.4g,塑性剂一聚乙二醇/邻苯二甲酸二乙酯3.2g/4mLo用此浆料流延出的素坯经过1500°C烧结6h后,制备出宏观平整均匀、大小为10cm×10cm的大面积LSGM电解质,相对密度和显气孔率分别可以达到96.0%和0.38%,与玻璃陶瓷密封胶BCS551的热膨胀匹配性良好,保证了工作温度范围内电池结构的稳定性。电化学阻抗谱分析表明LSGM电解质低温区电导率主要取决于晶界电导,而在高温区电导率主要取决于晶粒电导。低温下由于缺陷缔合的存在，电导率激活能较高为0.91eV,随着温度升高到600解缔合之后,在高温下的激活能较低为0.62eVo利用NiO-La_(O.45)Ce_(0.55)0_(2-)(LDC)阳极/LDC阻挡层/LSGM电解质这一阳极半电池中La3+离学的等活展策略,设计并验证了LDC作为NiO-LDC新型阳极和LSGM电解质之间的阻挡层，来抑制阳极与电解质间的界面反应。采用草酸共沉淀法制备出分布范围较窄平均粒径为1.36m的LDC粉体。通过对浆料粘结剂、丝网印刷和烧结工艺的系统研究,采用丝网印刷法成功制备出一层厚约1011表面致密且与电解质结合紧密的LDC阻挡层薄膜。该薄膜与电解质和阳极间化学相容性和热膨胀匹配性良好,并改善了阳极与电解质之间的热膨胀匹配性,抑制了阳极/电解质界面固相反应的发生,在还原气氛下的混合离子电导促进了阳极/电解质界面的电荷转移过程。采用共沉淀法合成了在分子级水平上混合均匀的NiO-LDC阳极复合粉体,制备了新型NiO-LDC复合阳极。发现NiO的含量决定了阳极的导电机制，当NiO的含量25mass/时金属Ni在阳极中形成连通的网络结构所导致的“逾渗相变”是造成导电机制发生变化的微观机制,其中NiO含量为60InaSs%的阳极电导率高达2260Scm'(-1),催化性能较好,在极化电流密度接近200mA-cm(-2)时,过电位为0.IV。通过对SrCo.(0.8)Fe.(0.2)0(3-6)(SCF)粉体合成工艺、阴极烧结工艺、LDC与SCF和LSGM的热膨胀匹配性和化学相容性的系统研究,制备了SCF-LDC复合阴极,研究表明LDC的加入可以有效改善阴极材料的热膨胀性能,增大阴极的三相反应界面，内层中LDC含量为50mass%的SCF50双层复合阴极的电化学性能最好,800°C时在0.1V过电位的极化电流密度达到了1.102Acm(-2),极化电阻为0.1480?cm2,优于单层复合阴极中最佳的SCF60阴极。在此基础上,提出并制备了SCF-LDC三层复合阴极,优化结构为SCF含量在三层阴极中由内至外分别为50mass乐70mass%和IOnlaSS%。复合阴极中LDC的加入，不仅大大改善了阴极与电解质间的结合和SCF阴极的热膨胀性能,而且增加了三相界面和阴极的总的比表面积,使三层复合阴极在800过电位为0.1V时,极化电流密度达到了1.32Acm(-2).通过电化学阻抗谱系统地研究了复合阴极的电化学性能,提出了SCF-LDC三层复合阴极的反应机理:氯的扩散和解离吸附一氧原子在三相界面处发生电化学还原一氧离子由三相界面处向阴极与电解质界面的传输,认为氧的扩散和解离吸附过程成为速度控制步骤。研究了电池各元件的热膨胀匹配性,组装了电池,并对SCF-LDC三层复合阴极组装的电池进行了放电性能测试,在800C时开路电压为1.073V,电池的最大功率密度为0.33Wcm(-2)。固体氧化物电解池铁酸盥锄基兔合阳极的制备及性能研究摘要：分别采用丝网印刷和浸渍法两种工艺制备了固体氧化物电解池(SOEC)铁酸锯翎(LSF)基复合阳极，通过XRD、TEM、SEM等手段对LSF粉体和复合材料的相结构和微观结构进行了分析，利用电位扫描以及电化学阻抗谱(ElS)比较了这些复合阳极在SOEC工作温度800?C时的电化学性能.结果表明，采用共沉淀?共沸蒸储(CP-AD)合成的1.SF20(La0.8SrO.2FeO3-6)粉体粒径约为2030nm,其都分布在氧化锚(YSZ)陶瓷骨架上；800时，浸渍法工艺制备的LSF20-YSZ复合阳极在0.IV极化过电位下的极化电流值为0.380.49Acm2,约为丝网印刷工艺制备的电化学性能的22.5倍.SOEC复合阳极LSE粉体的制备及性能研究摘要：木文采用溶胶-凝胶自蔓延法合成锂掺杂的铁酸锢(LSF)粉体,在此基础上制备了LSF与轨稳定的氧化偌(YSZ)的复合材料,并研究了该材料应用于固体氧化物电解池(SOEC)阳极的各方面性能。通过XRD、TEM.SEM等手段研究了该材料的化学稳定性及微观结构。通过动电位扫描研究了该阳极材料的电化学性能。TEM分析显示以该方法制备得到的LSF20粉体粒径在2050nm之间，颗粒形状较为规则。SEM结果显示经过1200°C,2h的烧结后,复合阳极与电解质结合紧密,阳极材料内部孔隙均匀,YSZ与LSF两相各自形成连通的网络结构。对LSF-YSZ阳极复合材料的电化学性能及热循环稳定性进行了研究,结果显示复合阳极表现出较高的电催化活性以及较好的耐热循环稳定性。饰盐和镯盐对铝合金阳极氧化膜性能的影响摘要：通过对铝合金在含有稀土盐的硫酸电解液中进行阳极氧化所得到氧化膜性能的研究，发现加入硫酸电市比无稀土盐其厚度、硬度及耐蚀性均好，最佳含量为O.5g/L;硫酸铀和硫酸翎复合稀土盐比单一硫酸柿稀土盐好。原子层沉积氧化钻、辆钻氧薄膜及在三维孔道中沉积工艺研究黄彬【摘要】：近年来,原子层沉积技术(AtOiniCLayerDCPOSitiOn,ALD)由于其薄膜厚度纳米级精确可控、大面积沉积均匀性以及良好的三维台阶覆盖性能等特点,在各个工业及科研领域受到越来越广泛的重视。纳米催化材料是近年来科学研究的前沿和热点,ALD作为一种薄膜沉积技术,在三维基底材料上均匀沉积具有催化活性的薄膜是其重要应用之一。利用ALD技术能够有效解决催化材料在三维复杂结构上沉积不均匀的问题:通过对ALD沉积循环次数的调控可以有效控制生长催化剂材料的尺寸。而对于此项技术应用的研究关键有两点：1.开发新型ALD催化剂薄膜,理解其生长机理,为薄膜的应用提供指导。2.采用合适的模板材料衬底,评估ALD薄膜在多孔三维结构中的沉积覆盖性能。针对这两个关键科学问题,本论文主要研究集中在开发两类具有催化活性的纳米薄膜:氧化钻(CoOx)以及二元金属氧化物锄钻氧(LaCoOx)薄膜上。针对ALD催化薄膜的实际应用通常需要在三维复杂结构上进行沉积这一特点,我们以三种多孔材料(阳极氧化铝,阳极氧化钛,扩孔金)为模板,评估其在多孔高深宽比结构中的沉积均匀性,研究催化活性薄膜的沉积性能。主要研究成果如下：L系统研究了所用的三种模板材料:多孔氧化铝(AAO),多孔氧化钛(Ti02NTS)以及多孔金(NPG)模板的实验室制备,并利用SEM,TEM等表征手段对模板材料的形貌结构进行测试,对比了三类模板材料的结构特点;并且在传统AAO直孔模板之上开发了新型具有三维鱼骨状结构的模板,为后续薄膜在三维模板材料中沉积效果的评估做好铺垫。2.系统研究了利用Co(Cp)2和03作为前驱体,ALD沉积超薄氧化钻膜的成分、微观结构、薄膜结晶性以及三维纳米结构的包覆性能与沉积工艺参数之间的关系。在整个ALD温度窗口(150°C-250oC)内，薄膜的生长速率为0.37?/CyCla最初生长的薄膜的成分为Co304与COo的混合物,随着循环次数的增加,稳定生长之后薄膜的组分转变为Co304°在低的沉积温度下(150°C),沉积的薄膜表面形貌平整连续;提高沉积温度之后(250oC),生长的薄膜不连续且表面为较大的孤立岛状颗粒。随后我们研究了ALACoOx在纳米多孔金三维多孔结构中的包覆性能,结果表明150°C下薄膜的包覆性能优异,包覆厚度均匀可控(0.4?/CyCie),50cycles之后包覆膜表面平整;而在250°C下经过200CyCIeS沉积之后并未形成连续的包覆层,而是孤立的晶化颗粒。基于以上实验结果,我们提出影响超薄CoOX膜生长的关键因素为以下两点:形核位点数目以及薄膜的晶化速度,并归纳出ALD-CoOx的前期生长模型,最终采用基底改性实验验证该模型。我们的研究结果表明可以通过改变实验条件而调控超薄氧化钻膜的形貌、成分以及包覆性能,并且能为进一步更好地利用ALD-CoOx膜提供指导。3.以前期积累的ALD氧化钻的生长特点作为指导,在150OC沉积温度下在多孔氧化钛(Ti02NTS)基底上均匀沉积了一层Co304材料,首次报道了该种ALD-CO304/Ti02NTS的光解水(PEC)性能;利用SEM,TEM,XRD,UV-vis,I-V,EIS,XPS等测试技术手段研究了复合材料的晶体结构、形貌、光学、电学以及光电化学等方面的性质及复合材料的能带结构;利用理论模型计算氧化钻薄膜的最佳包覆厚度,并用实验结果进行验证。研究结果表明,相比于纯相Ti02,Co304Ti02复合材料间形成的p-11异质结构有助于光生载流子的分离,并且能提高可见光的吸收能力；利用ALD方法制备的复合材料比利用液相合成方法具有更好的PEC性能;4nm的Co304薄膜包覆厚度使复合材料具有最优异的可见光下光解水性能,此条件下的光电流密度达到了90.4Acm2,相比于液相制备的Co304Ti02NTs和纯相Ti02NTs分别提高了3倍和14倍。4.采用2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸翎(La(Ihd)3)与臭氧(03)作为前驱体制备了氯化镯(La203)薄膜,详细的研究了ALD反应的各个工艺参数(包括前驱体脉冲时间,清洗时间，沉积温度等)对薄膜生长的影响,利用AAO模板测试La203的沉积保形性,结果表明:制备的La203薄膜内部几乎不含杂质元素,并且薄膜在深宽比高达500:1的结构中沉积保形性很好;最后以氧化镯、氧化钻的ALD沉积工艺为基础,采用交替脉冲法制备二元镯钻氧薄膜,通过调控脉冲次数比来控制薄膜中La,Co元素含量比,研究了不同元素比下薄膜对应的表面形貌,发现翎钻氧薄膜随着Co元素含量的增加,薄膜表面粗糙度有所增加。钻酸锄纳米颗粒修饰的二氧化钛纳米管阵列的制备方法摘要：钻酸锢纳米颗粒修饰的二氧化钛纳米管阵列的制备方法，涉及二氧化钛纳米管阵列。将基底材料表面进行清洁预处理；配制HF的水溶液为电解液，基底材料为工作电极，进行电化学阳极氧化，在基底材料表面构筑一层排列有序、尺寸可控的Tio<Sub>2<Sub>纳米管阵列膜，然后对膜层进行热处理，得TiO<Sub>2<Sub>纳米管阵列膜；配制前驱体溶液，加入络合剂，搅拌后得到溶液A；配制碱性溶液和碳酸溶液，混合后加到溶液A中，调节PH至8.5H.5后，再转移到布氏漏斗进行抽滤、洗涤，至母液为中性，得到的沉淀干燥后热处理；将得到的粉末配制为悬浊液，再将Ti(XSUb>2<Sub>纳米管阵列膜放入悬浊液中，超声辅助浸渍后清洗、干燥，对复合膜进行热处理，即得产物。复合电极La-Ni-B的制备及电催化偏硼酸钠的性能摘要：为进一步提高对偏硼酸钠电催化还原的效率,采用化学镀的方法,以铜片为基体,PdC12乙静胶体溶液为活化剂，乙醇为化学镀溶剂,制备了稀土复合电极La-Ni-Bo并采用XRD、SEM.EDS方法对催化剂进行表征分析,结果表明稀土合金以纳米颗粒的形式附着在基体表面,所得合金膜是非晶态的。通过循环伏安法研究了复合电极LaNi-B用于电解偏硼酸钠制备硼氧化钠的可行性。以硼氢化钠实际生产量为指标,探讨了直流、脉冲两种不同供电方式、脉冲电流频率、电解时间对电解行为的影响。结果表明稀土锢对电解偏硼酸钠有催化作用，以20mL镀液制备的复合电极,在脉冲频率阳极时间Tl=Is,阴极时间T2=ls时，最佳电解时间为4h复合电极在重复使用3次的情况下,硼氨化钠产量降低15%,催化剂的重复使用性能良好。银酸胸界面层对错钛酸铅膜-钻铁氧体陶瓷复合磁电材料性能的影响摘要：以化学溶液沉积法制得的LaNiO3薄膜作为Pb(ZrO.52TiO.48)03膜-CoFe204陶瓷复合材料的导电界面层，利用其优良的导电性保证磁电信号的有效输出。LaNi03界面层的引入，使得复合材料体系的铁电性能、压电性能得到有效表达，其层面内磁电耦合系数达到58mV/(cm?0e)o继续优化制备工艺及界面层的参数，磁电耦合性能将进一步提高。银酸翎导电金属氧化物薄膜材料的制备方法摘要：(专利申请号:01112710.4申请人:上海技物所)人们发现,用钙钛矿结构的金属氧化物，如LaO.5-SrO.15Co03,YBa2Cu307-以及SrRuO3等，来代替金属作为错钛酸铅(PZT)铁电薄膜器件的底电极,可以大大增强PZT铁电薄膜器件的抗疲劳特性。最近又有一种钙钛矿结构的金属氧化物银酸胸(LaNiO3)引起了人们的银酸祠导电薄膜的热处理制度与电性能研究摘要：研究了银酸锄(分子式LaNi(L3,简称LNo)导电薄膜的制备,及其与性能之间的关系。实验结果表明热处理制度和热处理过程中通氧是LNO薄膜获得良好电性能的关键。实验发现LNO薄膜在退火温度550C时就已经晶化,并且随着退火温度的升高,薄膜电性能也随之提高,但是当温度高于860后,LNO薄膜发生了结构相变并伴有NiO的析出，因此导致了薄膜电阻率的升高。较短的预处理时间和较长的退火处理时间有助于薄膜晶粒的长大,从而提高薄膜的电性能。同时也讨论了LNO薄膜电阻率和工作温度的关系。SmO.5SrO.5Co03是一种较好的ITSOFC阴极材料，负载于银酸镯电解质上的SmO.5SrO.5Co03-La0.8SrO.2GaO.8MgO.15CoO.0503(SSC-LSGMC5)复合阴极表现出高的活性与稳定性。SSC-LSGMC5复合阴极制备方法的探索及氧还原机理的研究对于开发高性能阴极材料具有重要意义。木文采用湿化学法制备了SSC-LSGMC5复合阴极，利用多种电化学技术对电极上的氧还原反应动力学进行了研究。首次用湿化学法制备了SSC-LSGMC5复合电极。SSC-LSGMC5复合阴极中的SSC及LSGMC5粉分别采用甘氨酸-硝酸盐法和柠檬酸盐法合成。相对于固相合成法，湿化学法有效地降低了SSC及LSGMC5的成.湿化学法制备Sn10.5SrO.5Co03-La0.8SrO.2GaO.8MgO.15CoO.0503复合阴极及其性能表征摘要：用湿化学法制备了SmO.5SrO.5Co03-LaO.8SrO.2GaO.8Mg0.15CoO.0503(LSGMC5)中温固体氧化物燃料电池复合阴极,其中SSC用甘氨酸-硝酸盐法合成,LSGMC5用柠檬酸盐法合成.XRD结果表明，甘氨酸-硝酸盐法制备的SSC在焙烧温度大于1223K即表现为单一的钙钛矿结构.随焙烧温度的升高,SSC粉末颗粒增大,导致相应电极与电解质的结合变差.复合电极的性能显著依赖于SSC粉末的焙烧温度，其中含1223K焙烧SSC粉末的电极表现出最小的欧姆电阻以及电极电阻973K、氧气中、1A-cm-2电流密度下该电极的极化过电位仅为0.077V,远小于固相法合成的电极.银-铁酸锢复合阳极的研究摘要：制备了多种银-钱酸镯(LaGaO3)复合阳极,并以Ni-LaGaO3为复合阳极,系列Sr.Mg和Co掺杂的LaGaO3为电解质，SmO.5SrO.5Co03(SSC)-LaGaO3为复合阴极,组装单电池。用极化、交流阻抗等技术,对阳极电化学性能进行研究,测试了电池的功率输出特性。Ni-LaGaO3复合阳极的最佳焙烧温度约为1200C,焙烧温度显著影响阳极/电解质界面的欧姆电阻和极化电阻。Ni-LaGaO3复合阳极的性能,依赖于所负载电解质及电极中掺入的LaGa03的性质。随着电解质中Co含量的增加，电池的欧姆电阻减小、电极活性增加,单电池的最大输出功率密度提高。Ni-LaO.8SrO.2Ga绿酸锄基中温-SOFC的新型阳极NiO-LaO.3CeO.702-研究摘要：固体氧化物燃料电池(SOFC)具有高效、便捷、对环境友好和燃料适用性强等优点,被誉为21世纪的绿色能源.