低温固体氧化物燃料电池钙钛矿氧化物基半导体离子电解质材料的合成与应用研究

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固体氧化物燃料电池(SOFC)由于其燃料多样性和低排放引起了全世界越来越多的关注。研究其在低温(<600°C)范围内高效运行是全球SOFC领域的一项重要挑战。开发可以在低温下具有高离子电导率的替代电解质材料是该领域的一大热点研究方向。传统方法通过结构掺杂开发高氧离子导体,但低温范围的材料的可用性仍然存在巨大挑战。半导体氧化物的各种性质及其形成的异质结构使半导体离子学成为低温固体氧化物燃料电池发展的重要研究领域。钙钛矿氧化物结构可调,可以通过不同的掺杂来获得理想的性能,成为SOFC关键材料的首先。本论文研究了在较低工作温度下(<600°C),具有高离子电导率的半导体氧化物材料,Ba Sn O3(BSO),Nd Ba0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5-δ-Ba Zr0.3Ce0.6Y0.3-δ(NBSCF-BZCY)Ba Ti O3-Ce O2和Sr Co0.8Fe0.2O3(SCF)-Fe3O4探索了四种半导体氧化物材料的电化学性能。。本论文工作主要包含四个部分:第一部分:制备单相Ba Sn O3(BSO)作为LT-SOFC的电解质膜。所制备的纳米颗粒为单相立方晶体结构,该电解质显示出0.23 S cm-1的离子电导率,在550oC时具有843 m W cm-2的高功率输出。第二部分:双钙钛矿结构混合导体Nd Ba0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5-δ与质子导体Ba Zr0.3Ce0.6Y0.1O3-δ(BZCY)复合的电解质,在550 oC下实现0.16 S cm-1的离子电导率以及470 m W cm-2的燃料电池功率密度。界面传导在BZCY-NBSCF复合材料的离子传输过程中起着至关重要的作用。在两相之间形成的界面或纳米级晶界保证了材料的良好电化学性能以及器件的高功率密度输出。第三部分:SCF-Fe3O4钙钛矿异质结构被用作固体氧化物燃料电池(SOFC)的新型电解质。其最佳复合比的样品在550 oC时达到583 m W cm-2的功率密度和1.01 V的OCV,表现出0.2 S cm-1的高离子电导。由于异质结的形成,内建电场抑制了电子传导的同时进一步促进离子传输。结果表明,SCF-Fe3O4复合物在低温下具有一定前景。第四部分:将钙钛矿结构介电Ba Ti O3和离子导电Ce O2(Ba Ti O3-x Ce O2)作为LT-SOFC电解质材料。与纯Ba Ti O3(BTO)相比,仅10%的Ce O2与BTO复合,在550 oC时具有1.05 V的高开路电压(OCV)和609 m W cm-2的功率密度。电化学阻抗谱(EIS)拟合结果表明,BTO-10Ce O2复合材料具有较高的离子电导率,为0.18 S cm-1。这是因为BTO和Ce O2之间的异质界面提供了离子快速传导的路径,促进离子电导率并提升了电池性能。该复合物具有混合的离子和电子电导率,但质子传导占主导地位。
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