分析硫化氢中温H_2S固体氧化物燃料电池阳极材料制备及性能要求

论文导读：单电池,在600℃及5%H2S燃气下,开路电压和最大功率密度分别为0.95V和15.12mW·cm-2.单电池运转前后阳极材料的XPS谱图表明,CSCMn系统中有着Ce3+电子跃迁至Mn4+上,电子的这种跃迁增大了材料的电子电导性；阳极表面的晶格氧转化为化学间隙氧,同时放出的氧空位把来自阴极的O2-传导到阳极材料表面,扩大了H2S与O2-反应的三相界面,提升
摘要：基于国内外固体氧化物燃料电池(SOFC)的进展,针对其在高温及H2S燃气下的局限性,论文以中温H2S SOFC阳极材料为探讨对象,采取实验与热力学软件浅析相结合的策略,系统地探讨了几种阳极材料的制备策略及其电化学性能,并构建以电解质为支撑的单电池,通过测试其电输出性能,筛选出最适合中温H2S SOFC的阳极材料。采取尿素燃烧法制备了不同掺杂量的钙钛矿结构Lao7Sr0.3Cr1-xYxO3-δ(简写为LSCY阳极材料。经X-射线衍射(XRD).H2S电导率及H2-程序升温还原(H2-TPR)测试确定了LSCY的最适煅烧温度为1350℃、Y的最佳掺杂量为0.13、催化活性温度为600℃。以氧离子型Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)电解质为支撑,构建单电池LSCY13-SDC‖SDC‖Ag,在600℃及5%H2S燃气下,开路电压为0.85V,最大功率密度为12.42mW·cm-2.单电池运转前后阳极材料的X射线光电子能谱(XPS)及光致发光光谱(PL)表征结果表明,Sr取代La后产生不带电的氧空位,为O2-传导提供了通道,扩大了H2S与O2-反应三相界面；Y掺杂后由于系统中有着离域的d电子,增强了该阳极材料的电子电导性。采取溶胶燃烧法制备了Ce0.9Sr0.1Cr0.5Co0.5O4-δ(CSCCo)的前驱体粉末,1100℃及3%H2条件下还原5h得到萤石结构的CSCCo阳极材料。经XRD、H2-TPR及FT-IR等测试,结果表明CSCCo适合作为中温H2S SOFC的阳极材料。构建的CSCCo-SDC‖SDC‖Ag单电池,在600℃及5%H2S燃气下,开路电压为0.97V,最大功率密度为14.21mW·cm-2.单电池运转前后阳极材料的XPS测试表明,Ce3+的电子容易跃迁到Co3+上,电子的这种跃迁增强了阳极材料的电子电导性；生成的H20与阳极表面的氧空位作用产生羟基氧,其易与H2S中的H发生作用,提升了单电池在H2S燃气中的电输出性能。采取溶胶燃烧法制备了Ce0.9Sr0.1Cr0.5Mn0.5O4-δ(CSCMn)前驱体粉末,在1100℃及3%H2条件下还原5h得到萤石结构的CSCMn阳极材料。经XRD、H2-TPR及H2S电导率等测试,确定CSCMn粉末适合作为中温H2S SOFC的阳极材料。构建的CSCMn-SDC‖SDC‖Ag单电池,在600℃及5%H2S燃气下,开路电压和最大功率密度分别为0.95V和15.12mW·cm-2.单电池运转前后阳极材料的XPS谱图表明,CSCMn系统中有着Ce3+电子跃迁至Mn4+上,电子的这种跃迁增大了材料的电子电导性；阳极表面的晶格氧转化为化学间隙氧,同时放出的氧空位把来自阴极的O2-传导到阳极材料表面,扩大了H2S与O2-反应的三相界面,提升了单电池的电输出性能。采取溶胶燃烧法制备了Ce0.9Sr0.1Cr0.5Fe0.5O3-δ(CSCFe)前驱体粉末,经3%H2和100%H2还原分别得到钙钛矿结构和萤石结构的CSCFe阳极材料,通过XRD.H2-TPR及FT-IR等测试表明,二者均适合作为中温H2S SOFC的阳极材料,由此构建的单电池CSCMn-SDC‖SDC‖Ag在600℃及5%H2S燃气下,其最大电流密度分别为52.35mA·cm·-2和82.38mA.cm-2,最大功率密度分别为17.75mW.cm-2和18.75mW.cm-2,表明钙钛矿结构的CSCFe阳极材料比萤石结构的催化活性要低一些,这是由于这两种CSCFe材料中Ce3+含量不同所引起的,前者Ce3+的含量(30.35%)比后者的(70.26%)要低的多。以质子型电解质BaCe0.35Zr0.5Y0.15O3-δ(BCZY)为支撑,分别以无定形结构的BaCe0.35Zr0.5Y0.15O3-LiO4-CaSO4(BCZY-Li-Ca)和钙钛矿结构的Ce0.8Sr0.2Cr0.5V0.5O3-δ (CSCV)为阳极材料,构建的单电池BCZY-Li-Ca-BCZY‖BCZY‖Ag和CSCV-BCZY‖BCZY‖Ag,在600℃及5%H2S燃气下,开路电压分别为0.81V和0.99V,最大功率密度分别为13.1mW·cm-2和22.6mW·cm-2。CSCV阳极材料和BCZY电解质同为钙钛矿结构且.均含有Ce论文导读：in},需要论文可以联系人员哦。摘要5-7Abstract7-151绪论15-381.1论文探讨背景151.2燃料电池的原理、特点及种类15-181.2.1燃料电池的原理15-161.2.2燃料电池的特点16-171.2.3燃料电池的种类17-181.3SOFC的探讨近况及其中温化18-291.3.1SOFC在国内外的探讨
,因而二者的化学相容性更好,同时降低了其接触电阻,导致单电池的电性能输出更好。关键词：阳极材料论文硫化氢论文固体氧化物燃料电池论文中温论文电化学性能论文
本论文由www.7ctime.com,需要论文可以联系人员哦。摘要5-7
Abstract7-15
1 绪论15-38

1.1 论文探讨背景15

1.2 燃料电池的原理、特点及种类15-18

1.2.1 燃料电池的原理15-16

1.2.2 燃料电池的特点16-17

1.2.3 燃料电池的种类17-18

1.3 SOFC的探讨近况及其中温化18-29

1.3.1 SOFC在国内外的探讨近况19-20

1.3.2 SOFC的中温化20-28

1.3.2.1 中温SOFC的电解质材料20-21

1.3.2.2 SOFC的阴极材料21-23

1.3.2.3 SOFC的阳极材料23-27

1.3.2.4 SOFC的阳极材料的合成策略27-28

1.3.3 SOFC的燃料28-29

1.4 H_2S固体氧化物燃料电池29-35

1.4.1 H_2S SOFC的工作原理29-31

1.4.1 氧离子传导型H_2S SOFC的工作原理30

1.4.2 质子传导型H_2S SOFC的工作原理30-31

1.4.2 H_2S SOFC的电化学性能31-32

1.4.3 H_2S SOFC阳极的进展32-35

1.5 论文的探讨内容和作用35-38

2 钙钛矿结构LSCY阳极材料的制备及性能探讨38-59

2.1 实验38-44

2.

1.1 实验药品及仪器38

2.

1.2 LCSY阳极粉末的制备38-41

2.

1.3 SDC电解质粉末的制备41

2.

1.4 LSCY-SDC复合阳极粉末的制备41

2.

1.5 LSCY-SDC‖SDC‖Ag单电池的构建及测试装置41-42

2.

1.6 LSCY阳极粉末的表征42-44

2.

1.6.1 LSCY阳极粉末的物相浅析42-43

2.

1.6.2 LSCY阳极粉末的H_2-TPR浅析43

2.

1.6.3 LSCY阳极粉末的微观形貌43

2.

1.6.4 单电池运转前后阳极材料各元素价态变化浅析43

2.

1.6.5 LSCY阳极材料电导率测试43-44

2.2 结果与讨论44-58

2.1 LSCY阳极粉末的物相44-46

2.2 LSCY阳极材料的电导率46-47

2.3 LSCY阳极粉末H_2-TPR47-48

2.4 LSCY13阳极粉末的微观形貌48

2.5 LSCY13阳极材料在H_2S和H_2气氛下的电导率48-50

2.6 LSCY13阳极粉末的稳定性50-51

2.7 LSCY13阳极粉末与SDC电解质的化学相容性51-52

2.8 LSCY13-SDC‖SDC‖Ag单电池的电化学性能52-54

2.8.1 LSCY13-SDC‖SDC‖Ag单电池的电输出性能52-53

2.8.2 LSCY13-SDC‖SDC‖Ag单电池的交流阻抗53-54

2.9 单电池运转前后LSCY13阳极表面的微观形貌及价态变化54-58

2.9.1 单电池运转后阳极的微观形貌54-55

2.9.2 单电池运转前后阳极材料表面元素的价态变化55-58

2.3 本章小结58-59

3 萤石结构CSCCo阳极材料制备及性能探讨59-73

3.1 实验59-60

3.

1.1 电极材料的制备59-60

3.

1.1 CSCCo阳极粉末的制备59-60

3.

1.2 SDC电解质粉末的制备60

3.

1.3 CSCCo-SDC复合阳极粉末的制备60

3.

1.2 CSCCo阳极粉末的表征60

3.

1.3 CSCCo-SDC‖SDC‖Ag单电池的构建及测试装置60

3.2 结果和讨论60-72
3.

2.1 CSCCo阳极粉末的物相60-61

3.

2.2 CSCCo阳极材料在H_2S和H_2条件下的电导率61

3.

2.3 CSCCo阳极粉末的H_2-TPR61-63

3.

2.4 CSCCo阳极粉末的稳定性63-64

3.

2.5 CSCCo阳极粉末与SDC电解质粉末的化学相容性64

3.

2.6 CSCCo-SDC‖SDC‖Ag单电池的电化学特性64-69

3.

2.6.1 CSCCo-SDC‖SDC‖Ag单电池论文导读：

的Tafel曲线64-66
3.

2.6.2 CSCCo-SDC‖SDC‖Ag的电输出特性66-68

3.

2.6.3 CSCCo-SDC‖SDC‖Ag单电池的交流阻抗68-69

3.

2.7 电池运转前后CSCCo阳极材料价态变化69-72

3.3 本章小结72-73
4 萤石结构CSCMn阳极材料的制备及性能探讨73-86

4.1 实验73

4.

1.1 电极材料的制备73

4.

1.1 CSCMn阳极粉末的制备73

4.

1.2 SDC电解质粉末的制备73

4.

1.3 CSCMn-SDC复合阳极粉末的制备73

4.

1.2 CSCMn阳极材料的表征与热力学浅析73

4.

1.3 CSCMn-SDC‖SDC‖Ag单电池的构建及测试装置73

4.2 结果和讨论73-84
4.

2.1 CSCMn阳极粉末物相73-76

4.

2.2 CSCMn阳极材料在H_2S和H_2条件下的电导率76-77

4.

2.3 CSCMn阳极粉末的微观形貌77

4.

2.4 CSCMn阳极粉末的H_2-TPR77-78

4.

2.5 CSCMn阳极粉末的稳定性78

4.

2.6 CSCMn阳极粉末与SDC电解质粉末的化学相容性78-79

4.

2.7 CSCMn-SDC‖SDC‖Ag单电池的电输出特性79-80

4.

2.8 单电池运转后阳极材料的Raman光谱80-81

4.

2.9 单电池运转前后CSCMn阳极材料各元素价态变化81-84

4.3 本章小结84-86
5 钙钛矿或萤石结构CSCFe阳极材料的制备及性能探讨86-109

5.1 实验86-87

5.

1.1 实验药品及仪器86

5.

1.2 电极材料的制备86

5.

1.2.1 CSCFe阳极粉末的制备86

5.

1.2.2 SDC电解质粉末的制备86

5.

1.2.3 CSCFe-SDC复合阳极粉末的制备86

5.

1.3 CSCFe阳极材料的表征86-87

5.

1.4 CSCFe-SDC‖SDC‖Ag单电池的构建及其测试装置87

5.2 结果与讨论87-107
5.

2.1 钙钛矿结构CSCFe阳极粉末的性质87-94

5.2.

1.1 钙钛矿结构CSCFe阳极粉末的物相87-88

5.2.

1.2 钙钛矿结构CSCFe阳极粉末的微观形貌88

5.2.

1.3 钙钛矿结构CSCFe阳极材料在H_2和H_2S条件下的电导率88-89

5.2.

1.4 钙钛矿结构CSCFe阳极粉末的H_2-TPR89-90

5.2.

1.5 钙钛矿结构CSCFe阳极粉末的稳定性90-91

5.2.

1.6 钙钛矿结构CSCFe阳极材料的化学相容性91

5.2.

1.7 钙钛矿结构CSCFe阳极材料与SDC电解质材料的热膨胀系数91-92

5.2.

1.8 CSCFe前驱体粉末的TG-DTA浅析92-94

5.2.2 萤石结构的CSCFe阳极粉末的性质94-97
5.

2.1 萤石结构CSCFe阳极粉末的物相94

5.

2.2 萤石结构CSCFe阳极粉末的稳定性94-96

5.

2.3 萤石结构CSCFe阳极粉末与SDC电解质粉末的化学相容性96-97

5.

2.3 钙钛矿结构和萤石结构的CSCFe阳极材料的电化学性能97-107

5.

2.3.1 CSCFe(钙钛矿)-SDC‖SDC‖Ag单电池的电输出特性97

5.

2.3.2 CSCFe(钙钛矿)-SDC‖SDC‖Ag单电池的交流阻抗谱97-98

5.

2.3.3 单电池运转前后钙钛矿结构CSCFe阳极材料价态浅析98-101

5.

2.3.4 单电池运转前后电解质SDC的Raman光潜浅析101

5.2.3.5 CSCFe(萤石)-SDC‖SDC‖Ag单电池的电输出特性101-103
5.

2.6 单电池运转前后萤石结构CSCFe阳极材料的价态浅析103-106

5.

2.7 单电池运转前后萤石结构CSCFe阳极材料的EPR浅析106-107

5.3 本章小结107-109
6 无定形结构BCZY-Li-Ca阳极材料的制备与性能探讨109-115

6.1 实验109-111

6.

1.1 BCZY电解质粉末的制备109-110

6.

1.2 BCZY-Li-Ca阳极粉末的制备110

6.

1.3 BCZY-Li-Ca-BCZY复合阳极粉末的制备110

6.

1.4 BCZY-Li-Ca阳极粉末的表征110

6.1.5 BCZY-Li-Ca-BCZY‖BCZY‖Ag单电池的构建及测试装置110-111
6.2 结果和讨论111-11论文导读：Y-Li-Ca阳极粉末的物相1116.2.2BCZY-Li-Ca阳极材料在H_2S和H_2气氛下的电导率111-1126.2.3BCZY-Li-Ca-BCZY‖BCZY‖Ag单电池的电输出性能112-1136.2.4BCZY-Li-Ca-BCZY‖BCZY‖Ag单电池的交流阻抗1136.3本章小结113-1157钙钛矿结构CSCV8255阳极材料的制备及性能探讨115-1227.1实验115-1167.

1.1CSCV8255阳极粉末的制备1

3
6.

2.1 BCZY-Li-Ca阳极粉末的物相111

6.

2.2 BCZY-Li-Ca阳极材料在H_2S和H_2气氛下的电导率111-112

6.2.3 BCZY-Li-Ca-BCZY‖BCZY‖Ag单电池的电输出性能112-113
6.

2.4 BCZY-Li-Ca-BCZY‖BCZY‖Ag单电池的交流阻抗113

6.3 本章小结113-115
7 钙钛矿结构CSCV8255阳极材料的制备及性能探讨115-122

7.1 实验115-116

7.

1.1 CSCV8255阳极粉末的制备115

7.

1.2 BCZY电解质粉末的制备115

7.

1.3 CSCV8255-BCZY复合阳极粉末的制备115

7.

1.4 CSCV8255阳极粉末的表征115

7.1.5 CSCV8255-BCZY‖BCZY‖Ag单电池的构建及其测试装置115-116

7.2 结果和讨论116-121

7.

2.1 CSCV8255阳极粉末的物相116

7.

2.2 CSCV8255阳极粉末的微观形貌116

7.2.3 CSCV8255前驱体粉末在空气及N_2条件下TG-DTA浅析116-118
7.

2.4 CSCV8255阳极材料在H_2S及H_2条件下的电导率118

7.

2.5 CSCV8255阳极粉末的稳定性118-119

7.

2.6 CSCV8255阳极粉末与BCZY电解质的化学相容性119

7.

2.7 CSCV8255-BCZY‖BCZY‖Ag单电池的电输出特性119-121

7.3 本章小结121-122
8 结论122-125
8.1 结论122-123
8.2 论文的主要革新点123-124
8.3 展望124-125
致谢125-127
参考文献127-141
攻读博士学位期间的主要科研成果141