纳米复合阴极的低温制备及电化学性能(2)
3.1 XRD表征 13
3.2 阴极微观形貌分析 14
3.3 电化学性能分析 15
3.3.1 浸渍量对LSCF-SDC复合阴极电化学性能的影响 15
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 引言
固态氧化物燃料电池（SOFCs）是一种将化学能直接转化为电能的电化学装置，由于它具有能量转化率高、燃料可选范围广、不需要金属催化以及全固态结构带来的操作方便等特性，被认为是一种很有前途的新型能源，成为国际上的研究热点。使SOFC的工作温度从传统的1000℃降低到600-800℃的范围是SOFC商业化的关键[1]。然而随着温度的降低，会给阴极带来一系列负面影响，如极化过电位增大，极化电阻和界面电阻的增加，因此改善阴极材料的性能是中低温SOFC研究的难题之一[2-6]。在SOFC中使用复合阴极材料是优化电极性能的有效方法之一。复合阴极材料一般具有电子-离子混合电导的特点。研究表明，混合电导材料比传统的单一电导材料具有更高的电极性能。
这里将从复合阴极材料能改善阴极性能的理论基础出发，介绍复合阴极材料的反应机理及分类。
1.1 燃料电池的阴极材料
由SOFCs的组成及工作原理来看，它是由电解质(electrolyte)、阳极(anode)：阴极(cathode)和连接体组成。阴极材料作为SOFCs重要的组成部分，它起着通过氧气的作用。因此，它必须具有高导电率、高温热稳定、抗氧化、化学结构稳定、晶型稳定、外形尺寸稳定、热膨胀系数相匹配、多孔结构、催化性能优良以及易加工等优点才能被广泛使用。若降低SOFC的工作温度，将引起阴极材料极化过电位过大，界面电阻增大。因此，在中温(600℃~800℃)条件下，选用合适的阴极材料成为SOFCs研究的主要领域。目前主要有贵金属、电子电导氧化物和混合电导氧化物等材料。而作为贵金属由于与电解质热膨胀系数差别以及价格原因，限制了其使用范围。
阴极又称为空气电极，主要利用阴极的催化氧气传导氧离子性能同时具有高的电子导电能力。在燃料电池中，阴极材料必须满足以下要求:
1.稳定性。在氧化条件下，从室温到工作温度范围内，阴极材料必须是性能稳定、化学稳定、晶型稳定和外形尺寸稳定，不发生显著变化。
2.电导率。在氧化气氛和工作条件下，阴极材料要有足够高的电子导电率，尽可能小的欧姆极化。
3.相容性。在操作温度和制作温度下，阴极材料都应该与组元化学相容，而不与邻近组元发生反应，从而避免第二相的生成。
4.热膨胀性。从室温到工作温度范围内，阴极材料应与其他材料热膨胀系数相匹配，以避免开裂、变形、脱落。
5.催化性。具有良好的催化性及离子传输性能。
6.多孔性。足够的孔隙率确保气体的渗透，同时保证传质和力学强度。
1.2 复合阴极材料的反应机理
电极活性反应区域，通常包括两条途径[7]：一是氧在电极表面发生解离吸附，然后扩散到电极、电解质和氧的三相界面，发生电荷转移过程；一是氧在电极活性表面解离吸附，发生电化学反应，产生的带电荷的氧通过电极表面传输至电解质。
氧离子导电电解质的SOFC的阴极的作用是把O2还原成O2-，然后O2-通过电解质转移到阳极。实际上，在阴极发生的反应是一个复杂的过程，由一系列体相及表面过程组成(见图1-1)。
图1-1 SOFC阴极反应示意图
1.3复合阴极材料的分类
复合阴极大致分为传统复合阴极和纳米复合阴极两种。
1.3.1传统复合阴极