摘要
固体氧化物燃料电池(SOFC)以污染物排放少，能量转换效率较高等优点越来越受到科研人员的关注，但是较高的工作温度却是限制其发展的主要因素。为了发展SOFC并推进其商业化进程，降低SOFC的工作温度刻不容缓。对于阴极极化电阻而言，降低SOFC工作温度会使阴极极化阻抗迅速增大。相比于其他组件，阴极侧氧还原需要的活化能最高，且化学反应的动力学较慢。因此，研发出在低温下具有高氧还原活性的阴极材料是推进SOFC低温化的重中之重，所以我们以阴极材料为研究中心。在阴极材料中，钴基材料在低温下仍能保持较好的电化学性能，但是钴基钙钛矿阴极材料与电解质热兼容性较差，在高温工作的情况下电池容易裂开，并且原材料价格昂贵。针对钴基阴极的不足，铁基钙钛矿氧化物因良好的热膨胀系数和低廉的造价等原因，有望成为SOFC阴极的替代品。然而，它们在较低温度下(＜700℃)电化学性能较差，这成为铁基材料未来发展的主要瓶颈。 基于铁基钙钛矿阴极材料，我们发现有文献报道过Ba0.5Sr0.5FeO3-δ铁基阴极，但其氧还原能力较低，电化学活性较差，我们设计在B位掺杂部分钇离子以提高其催化活性和电化学活性。采用溶胶凝胶法成功制备出Ba0.5Sr0.5Fe0.875Y0.125O3-δ(BSFY)，测试与表征可证明BSFY有着良好的纯相钙钛矿结构。随后的测试可知BSFY具有较多的氧空位，在400~800℃的范围内电导率在铁基材料内是可接受的。将SDC作为电解质组装成对称电池，其面积比电阻在700℃仅有0.020Ωcm2。将其组装成结构为Ni-SDC/SDC/BSFY的阳极支撑的单电池，700℃下峰值功率密度有1052mWcm-2。这样的电化学性能在铁基材料里是较为优秀的。 以BaFeO3为母体材料，设计并开发出一种新的A/B位锶和镓共取代的新型无钴钙钛矿阴极，使用工艺简单的固相法制备了Ba0.75Sr0.25Fe0.875Ga0.125O3-δ(BSFG)钙钛矿阴极材料。利用Rietveld精修可知BSFG有着良好的立方钙钛矿相。在工作温度范围(500-700℃)内，BSFG的氧非化学计量值约为0.49~0.57，属于一个较高的氧空位值。测试其热膨胀系数(TEC)为17.8×10-6K-1，这样一个较小的数值可证实BSFG与电解质会有良好的热兼容性。在600℃下，对称电池面积比电阻仅有0.074Ωcm2，阳极支撑的单电池峰值功率密度更是高达1145mWcm-2，优于大多数最近报道的铁基材料，甚至可与一些表现较好的钴基阴极材料相媲美。在600℃进行了BSFG单电池短期的恒流模式(1000mAcm-2)测试以验证其耐久性，单电池在3000分钟内提供稳定的输出电压并且没有明显的性能衰减。利用第一性原理计算探究了BSFG电极关于氧还原反应优异的活性和耐久性的原因。这为合理开发高活性、高性能的钙钛矿型低温SOFC阴极材料提供了新的思路，并且证明了BSFG阴极材料广阔的潜在应用空间。
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