鈣鈦礦型固體氧化物燃料電池陽極材料_圖文

1、 維普資訊 化 學(xué) 表 摻 雜 的 ，系列 鈣 鈦 礦 型 氧化 物 的 電化 學(xué)性 質(zhì) 進(jìn) 展 第 卷 丑 血 ；丑 （ ） 隨之 提高 ； 時(shí)材 料 的極 化 電阻 比 均有 當(dāng) 單 電池 的性 能報(bào) 道很 少 ， 必要 進(jìn)行 深入研 究 。 有 雙 鈣鈦礦 型 氧化物 所 降低 。 由于 考 慮 到 高 含 量 的 竹 ， ， ，陽極 的高 催 化 活 性 ， 等 ¨和 訓(xùn) 一 ， 雙鈣 鈦礦 是 針 對 鈣 鈦 礦 型 結(jié) 構(gòu) 提 出 的 ， 可表 示為 其 中 為堿 土 金 屬 （ 、 ； ： ， 、 ） 為二 價(jià)或 三 價(jià) 的 金 屬 ； 五 價(jià) （ 常為 、 ） 為 通

2、 分 別在 中引入 制 備 了 （ 和 、） 列 化合 物 。發(fā)現(xiàn) 等 一 系 一 。 在 空氣 氛 下 的 ， 的過渡 金 屬。 的。該 類 材 料 通 常 是作 為磁 性 材 料 研 究的 。 近幾年 才 發(fā)現(xiàn) 其 電化 學(xué)特 征 。它們 一 般 都 是 良好 的混合 導(dǎo)體 ， 別 是 在 這 類化 合 物 中含 、 特 的化合 物顯 示 了較 好 的電導(dǎo) 性 能 ， 為 一些 雙鈣 表 鈦礦 型氧 化物 在不 同溫度 和氣 氛下 的 電導(dǎo) 率 。 在該 系列 材 料 中 ， 表 現(xiàn) 出 相 對 較 高 的 電導(dǎo)率 ， ： 氣 氛 下 的 電導(dǎo) 率 可 以達(dá) 、 到 。為 了提 高 其 氧

3、空 缺 濃 度 進(jìn) 而 提 電子 電導(dǎo)率 隨 含 量 的增 加 而 上 升 ， 在 還 原 氣 而 氛下 則 變 化 不 大 ， 能 最 好 的 性 ， 時(shí)在 空氣 和 氣 氛下 的 電子 電導(dǎo) 率分 別 為 和 ；而 對 于 （ ） 列 化 合 物 ， 系 當(dāng) 時(shí) 其 電化 學(xué) 性 能最 好 ， 時(shí)在 和 氛下 的極 化 電 阻 氣 分別 為 和 比 均 有 所 降 低 。 ， 和 等 于 年 在 上 發(fā) 高 離 子 電導(dǎo) 率 。 等 嘗 試 在 其 結(jié) 構(gòu) 中摻 雜 和 半 徑 差 不 多 的 金 屬 離 子 ， （ ） 如 （ ）和 （ ， 備 了 ） 制 表 了 一 種 含 有 缺 陷

4、 的 鈣 鈦 礦 型 氧 化 物 ， ， 那 。 。 （ ， ） 通過 加 入 不 僅 可 以進(jìn) 一 步 降低 的極 化 電阻 ， 而且 可 以 通 過 形 成 更 穩(wěn) 定 的配 位數(shù)來 增加 其 氧化 還原 的穩(wěn) 定性 ， 在 、 還原氣 氛 （ 。 下 的 電導(dǎo) 率 為 ） ， 和 等 材料 。測試 結(jié) 果 表 明 ： 時(shí) 。 述 材 料 在 很 寬 的 氧 分 壓 范 圍 （ 上 ）內(nèi) 都 可 以 保 持 穩(wěn) 定 。 因 此 他 們 還 對 ； 和 的極 化 電阻 比 均有 所 在 下 （ 、 ） 等 金 屬 摻 雜 的 ） 、 （ （ ） 列雙 鈣 鈦 礦 型 氧化 物 作 為 陽極

5、系 材料 的 可 能 性 做 出 了 預(yù) 測 。 由 于 在 直 接 烴 降低 。當(dāng)采 用 （ ） 合 陽極 ， ： 復(fù) 為 陰極 ， 為 電解質(zhì) 制 成 的單 電池 。 以潤濕 在 的 和 為 燃 料 時(shí) 的最 高 功 率 密 度 分 下 別 接 近于 和 ， 和 的性 能相 這 差不 多 。 陽 極 中 的 應(yīng) 用 ， 等 制 備 了 組 成 為 。 一等 一 系 列 較 高 一 含 量 的 雙 鈣 鈦 礦型 氧化 物 ， 現(xiàn)在 低 氧分 壓 時(shí) ， 有 當(dāng) 時(shí) 發(fā) 只 總體 來 說 ， 與 ，基 鈣鈦 礦 陽極 材 料 相 比 ， 系列 陽極材 料 在還原 氣 氛 下具 有 更 高 的

6、電子 電導(dǎo) 率 。 目前 的研究 主要 是通 過摻 雜其 它金 屬來 提 其 結(jié)構(gòu)才 是穩(wěn) 定 的。 因此用靠 前 的第一 行 過渡元 素 進(jìn) 行取代 ， 試發(fā) 現(xiàn) 雜 的 和 測 摻 ， ， 具 有相 對較 好 的電導(dǎo)率 ， 和化學(xué)穩(wěn) 定 高其離 子 電導(dǎo) ， 這些 材 料 中 ， 在 位 含 的化 合 物 表現(xiàn) 出較好 的結(jié) 果 。但 是 ， 類 材料 須 在 還 原 氣 氛 該 下才 能燒 制 出純相 。 而提 高 了制 備難 度 ， 因 而且 目前 性 。 等 提 出 了 位 為 一 價(jià) 金 屬 摻 雜 的 （ 、 、 ） 一 系列 陰 ； 、 等 離 子 缺陷 的雙 鈣鈦礦 型 氧化

7、物 。該 系列 化合 物主 要 該 類材 料對烴 類燃 料 的催 化性能 和作 為 陽極材 料 的 表 現(xiàn) 出離 子 電導(dǎo) 性 ， 中只 有含 的 其 維普資訊 第 期 鄭 堯 等 鈣鈦 礦 型 固體 氧 化 物 燃 料 電 池 陽極 材 料 和 具有 相對 較好 的性能 。 等 于 年 在 上 發(fā) 表 了 以 組 成 為 。 （ 的雙鈣 鈦礦 型 氧 化物 為燃 料 電池 的 ） 陽極 材 料 。由于 （ ） （ 的價(jià) 態(tài)變 化 可 以提 ） 出了 （ 和 （ 、 ） ， ） 等一 系列 高 含 量 的鈣 鈦 礦 型 氧化 物 ， 然 而發(fā)現(xiàn) 該 類 化 合 物 在 氧 化 和 還 原 條

8、件 下 都 不 夠 穩(wěn) 定 。表 為該 系列 化合 物在 空氣 和還 原氣 氛下 的電 導(dǎo)率 。從表 中可 以看 出純 的 有 很 高 的 電導(dǎo) 具 供很 高 的 電子導(dǎo) 電能力 ， 因此 以 為 陽極 材料 的 單 電池 顯示 出 了極好 的 電化學(xué)性 能 。其功 率 密度 隨 著 陽極 材料 中 的含 量 增 加 而 上 升 ， 且 表 現(xiàn) 出 并 了一定 的抗 硫 性 ， 以含 當(dāng) 的 為燃 料 時(shí) ， 池 性 能 并 沒 有 受 到 大 的 影 響 。表 為 以 電 。 為 陽極 ， 為電解 質(zhì) ， 為陰 率， 當(dāng)在其 結(jié)構(gòu) 中引 入 后 電導(dǎo) 率 顯著 降 低 。他們 同時(shí) 還制 備

9、 了 。 （ 、 、 等 鈣 、 ） 鈦礦 型氧 化物 ， 但其 穩(wěn)定 性 和電導(dǎo) 率都 不盡 如人 意 。 表 高 含 量 、 鈣 鈦 礦 氧 化 物 型 下 的 電導(dǎo) 率 極 的單 電池在不 同燃 料下 的最 高功 率密 度 。 表 以 一 ， ， 陽極 材 料 的單 電池 在不 同燃 料 ， 為 氣 下 時(shí) 的最 高 功 率 密度 】 一 ， 為 ， 婦 曲 總 的來說 ， 鈣 鈦 礦 型 氧 化 物作 為 陽極 雙 材 料 的發(fā)展 還不 夠成 熟 ， 能好 壞差 異很 大 ， 性 不過其 中含 的材料 取得 了相 對 較好 的性 能 。并 且 由于 系列 化合物 的離子導(dǎo) 電率 （ 約

10、為 時(shí) × ） ¨雖 然 低 于 但 遠(yuǎn) 高 于 ， （ 時(shí) 約 為 ） 。 因 此 其含 有 一個(gè) 五價(jià) 的 金 屬元 素 ， 以將 更 多 的金 屬元 可 素引入 其 中 ， 因此 具有 很 大 的發(fā)展 空 間。 其 它鈣 鈦礦 型 陽極材 料 ： 和 系列 含 的 鈣 鈦 礦 型 氧 化 物 都具 有 很 好 的 抗 積 碳 和抗硫 性 。 以前 的研 究是 主要 集 中在 位含 少 量 的材料 如 等 副在 的 基 礎(chǔ) 上 制 備 了 組 成 為 （ ， ） （ 。 ） 、 、 ； 、 （ ） 位 高 等 摻雜 量 的化 合 物 ， 結(jié)果 表 明在 、 氛下 ， 系

11、列化 合物 穩(wěn) 定性 隨 氣 該 含 量升 高 而降低 ， 電導(dǎo)率 卻 隨之上 升 ； 中含有 但 其 位 缺陷 的 （ ： 。 卵 等 。 目前對 于高 含 。 ： ） 。 舛 現(xiàn) 出 最 好 的 ， ， ， 表 量 的鈣 鈦 礦 化 合 物 的 研 究 也 正 引 起 人 們 的重 視 。 等 在氧 分壓 低于 的氣 氛下 成功 制備 電化學(xué) 性 能 ， 電導(dǎo) 率 在 時(shí) 空 氣 和 其 氣 氛下 分別 為 和 一； 極化 電阻 在 ， 維普資訊 化 學(xué) 進(jìn) 展 第 卷 氛下 分 別 為 和 氣 和 ， 因此 具備 了作 為 陽極 材 料 的可能 性 。 ， ， ： ， ， ， ， ， ：

12、 存 在 問題 與展 望 鈣鈦 礦 型氧化 物 由于其 混合 導(dǎo) 電能力 及在 氧化 和還原 氣氛 下較 高 的結(jié)構(gòu) 和化學(xué) 穩(wěn)定 性 已經(jīng)越 來越 廣 泛地 應(yīng)用 于 固體 氧化 物燃 料 電池 陽極 材料 ， 是 但 ， ， ， ，： ， ， ， ： ， 一 。 ， ： ， ， ， ， ， ， ： 一 仍 然存 在著 一 些 問題 ： （ ）由于 其 混 合 電導(dǎo) 率 較 低 特別 是 電子 電導(dǎo)率較 低 ， 造成 歐姆 極化 比較 嚴(yán)重 ， 因 此其 單 電池 的 功 率 密度 和傳 統(tǒng) 的 以 為 陽極 的單 電池 相 比仍 然 較 低 ； （ ）其 對 烴 類 燃 料 的催 化 性

13、能不 高 ， 因此 限制 了其 在 直接 烴 中的應(yīng) 用 ； （ ）其 電池 制 備技 術(shù) ， 如 長 時(shí) 間 在 高 溫操 作 下 的 例 穩(wěn) 定性 以及 和 電池其 它部 分材料 的熱膨脹 系數(shù) 的匹 配性 數(shù)據(jù)還 有 待 完善 ； （ ）有 關(guān) 氧 在 鈣 鈦 礦 型 陽極 材料表 面 的擴(kuò)散 方式 以及機(jī) 理 的報(bào) 道 較少 （ 僅 ， 和 ， ， ： ， ， ， ， ， ， ： （ ） ： 一 ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， ， ： ， 。 ， ， ： 一 ， ， ， ， ： 做 過 相 關(guān) 研究 ）并 且采 用 陽極支 撐 的單 電池報(bào)道 也 很少 ； ， （） 一 ，

14、 ， ： 一 ， 些 具有 高催 化活性 貴 金屬 的價(jià) 格較 高也 限制 了將 雖 然存 在 上 述諸 多 問題 ， 是 隨著 研 究 的不 斷 但 ， ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， ： 其制 備成 鈣鈦 礦 型陽極 材料 的發(fā) 展 。 深入 ， 將會 有一 批 性 能很 好 的鈣 鈦 礦 型 陽 極材 料 不 斷 出現(xiàn) 。而且 基 于鈣鈦 礦結(jié) 構(gòu) 的 陽極 材料 是一 個(gè)非 張 （ ，于 波 （ ， （ ） ） ） 化 學(xué) 進(jìn) 展 （ ， （ ） ） ， ： ： ， ， 常值 得 深入研 究 的方 向 ， 如將 鈣 鈦 礦 型 氧 化 物做 例 成 陽極 支撐 型 由于 電解

15、質(zhì) 的厚 度 降 低 ， 電 ， 其 池性 能將 會 大大 提 高 ； 且 以 鈣鈦 礦 型氧 化 物 同 時(shí) 而 作 為 可能 的陰極 材料 制成 的對 稱 電池 ， 由于 其 陰、 陽 極可 以交替使 用 ， 因而 在 理 論 上 可 以使 電池 的壽命 增加一 倍 ， 這將 在 實(shí) 際 應(yīng)用 中發(fā) 揮 重 要 作 用 。 由于 一 ， ， ， 。 ： ， ， ， ， ： 一 ， ， ， ， ： 眥 ， ， ， ： 些鈣 鈦礦 型氧 化 物 表 現(xiàn) 出 較 高 的 電子 電導(dǎo) 率 ， 今 ，唐 致 遠(yuǎn) （ ） ，潘 麗 珠 （ ） 宋 世 棟 （） 化 學(xué) 學(xué) 報(bào) （ ， ： ） ， （）

16、 后我 們在 此基 礎(chǔ)上 應(yīng)進(jìn) 一步 重點(diǎn) 開發(fā) 一些新 型的單 相混合 導(dǎo)體 材料 ， 特別 是 提 高 其 電子 電導(dǎo) 率使 其 同 時(shí)具 有 電 流 收 集 器 （ ） 的作 用 。 由 于 一 ， 。 ， ， ： 些 鈣鈦 礦 型氧 化物對 烴類 燃料 表 現(xiàn) 出的對烴 類燃 ， ： ， ， ： 一 ， 。 ， ， ， ： 料 的催 化 活性 可 以 和傳 統(tǒng) 的貴 金 屬催 化 劑 相 媲 美 ， 并且 同 時(shí)具有超 強(qiáng) 的抗 積 碳 性 和 耐硫 性 ， 以應(yīng) 盡 所 量 開發(fā) 一些成 本低 廉及 催化 活性 良好 的新 型鈣 鈦礦 陽極 材料 以達(dá) 到 實(shí)際應(yīng) 用 的 目的 。

17、參 考 文 獻(xiàn) ，（ ） ， ： ， ： ， ， ， ， ， ： ， ： ， ， ，珊 ， ， ， ， ： ， ， ， ，瑚 ， ： ， ， ： ， ， ， ， ： ， ， 維普資訊 第 期 鄭 堯等 鈣 鈦 礦 型 固體 氧 化 物 燃 料 電池 陽極 材料 ， ： 一 ， ， ， ， ， ， 李 松 麗 （ ） 王 紹 榮 （ ，聶 懷 文 （ ） ， ） 等 無機(jī) 材 料 學(xué) 報(bào) （ ） ， （ ） ， ： ， ， ， ， ： ， （ ： ） ， （ ） ： ， ， ， ： ， ， ： ， ， ， ： ， ，： 一 ， ， ， ， ， ： 一 ， ， ， ， ， ： （ ） 一 ， ， ， ， （ ）： 一 ， ， ， 。 ： ， ， ， ： ， ， ， ， ， ： ， ， ， ，