過渡金屬摻雜的CeO2基電解質(zhì)材料的制備與性能研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效、綠色、清潔的新一代能量轉(zhuǎn)換裝置，電解質(zhì)作為其核心部件是目前研究的熱點。近年來，SOFC的中溫化已成為一種發(fā)展趨勢，對電解質(zhì)材料的選擇提出更高的要求。對于氧離子導體CeO2基電解質(zhì)而言，限制其應用的一個重要因素是其致密溫度過高。基于有報道證實稀土元素Nd、Sm雙摻雜CeO2的電導率要比單摻雜的高，而且過渡金屬氧化物可以作為燒結助劑使用。本文就以雙稀土元素摻雜的CeO2為基底，探討少量過渡金屬的摻雜

2、對電解質(zhì)Nd0.1Sm0.1Ce0.8O1.9性能的影響。
　　本文采用檸檬酸-硝酸鹽法制備了粉體Nd0.1Sm0.1Ce0.8O1.9及添加了少量過渡金屬的Nd0.1Sm0.1Ce0.79M0.01O1.9-δ(M=Fe、Co、Ni、Zn)，采用X-射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、阿基米德排水法、電化學工作站、熱膨脹儀和直流電子負載等表征手段對材料的物相、微結構、電導率、電池性能等進行表征。
　　XRD測試

3、結果顯示，檸檬酸-硝酸鹽法合成的初級粉體Nd0.1Sm0.1Ce0.8O1.9及Nd0.1Sm0.1 Ce0.79M0.01O1.9-δ(M=Fe、Co、Ni、Zn)經(jīng)700℃煅燒3h后呈現(xiàn)單一的立方螢石相，說明Fe、Co、Ni、Zn的摻雜沒有改變Nd0.1 Sm0.1Ce0.8O1.9的相結構。
　　稀土元素Nd、Sm共摻CeO2電解質(zhì)材料的制備與性能研究:隨著燒結溫度的升高，Sm0.1Nd0.1Ce0.8O1.9(SNDC)晶

4、粒尺寸增加，當燒結溫度升高到1350℃時，斷面微結構顯示樣品完全致密，此時電導率最高。100-1000℃的測試溫度范圍內(nèi)，SNDC樣品的TEC平均值為13.7×10-6 K-1，與SDC的非常接近。分別采用濕氫氣（約含3％的水）和靜態(tài)空氣作為燃料和氧化劑的單電池Ni-SNDC|SNDC|SBCO-SNDC，半電池共燒1350℃，測試溫度為650℃時開路電壓只達到0.71 V，最大輸出功率密度達到372 mW/cm2，歐姆阻抗0.3Ω·c

5、m2。
　　過渡金屬Fe摻雜Ce0.8Sm0.1Nd0.1O1.9電解質(zhì)材料的制備與性能研究:1250℃燒結的SNDCFe樣品擁有最高的相對密度、最高的晶界電導率和較低的活化能;1250℃燒結的SNDCFe樣品擁有比1300℃燒結的SNDC樣品更高的晶粒、晶界電導率。100-1000℃的測試溫度范圍內(nèi)，SNDCFe樣品的平均熱膨脹系數(shù)為13.9×10-6 K-1，與SNDC的非常接近。采用濕氫氣（約含3％的水）和靜態(tài)空氣分別作為燃

6、料和氧化劑的單電池Ni-SNDC|SNDCFe|SBCO-SNDC，半電池共燒1250℃，測試溫度650℃時開路電壓達到0.78 V，最大輸出功率密度達到458mW/cm2，歐姆阻抗有0.384Ω·cm2。預示著SNDCFe是中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)有潛力的電解質(zhì)材料。
　　過渡金屬Co摻雜Ce0.8Sm0.1Nd0.1O19電解質(zhì)材料的制備與性能研究:當燒結溫度達到1100℃時，樣品擁有最高的相對密度、最高的晶界

7、電導率和較低的活化能;1100℃燒結的樣品SNDCCo的晶粒、晶界電導率與1300℃燒結的SNDC樣品的相近。100-1000℃的測試溫度范圍內(nèi)，SNDCCo樣品的平均熱膨脹系數(shù)為13.8×10-6 K-1，與SNDC的非常接近。采用濕氫氣（約含3％的水）和靜態(tài)空氣分別作為燃料和氧化劑的Ni-SNDC|SNDCCo|SBCO-SNDC單電池。半電池共燒1250℃，測試溫度650℃時開路電壓達到0.78 V，最大輸出功率密度達到452mW

8、/cm2，歐姆阻抗只有0.276Ω·cm2。預示著SNDCCo是中溫固體氧化物燃料電池(IT-SOFC)有潛力的電解質(zhì)材料。
　　過渡金屬Ni摻雜Ce0.8Sm0.1Nd0.1O1.9電解質(zhì)材料的制備與性能研究:當燒結溫度達到1200℃時，樣品擁有最高的相對密度、最高的晶界電導率;1200℃燒結的SNDCNi樣品擁有比1300℃燒結的SNDC樣品更高的晶界電導率。100-1000℃的測試溫度范圍內(nèi)，SNDCNi樣品的平均熱膨脹系數(shù)

9、為14.6×10-6K-1，與SNDC的非常接近。采用濕氫氣（約含3％的水）和靜態(tài)空氣分別作為燃料和氧化劑的單電池Ni-SNDC|SNDCNi|SBCO-SNDC，其半電池共燒1250℃，測試溫度650℃時開路電壓達到0.78 V，最大輸出功率密度331 mW/cm2，歐姆阻抗高達0.402Ω·cm2。
　　過渡金屬Zn摻雜Ce0sSm0.1Nd0.1O1.9電解質(zhì)材料的制備與性能研究:當燒結溫度達到1100℃時，樣品擁有最高的相

10、對密度、最高的晶界電導率和較低的活化能;1100℃燒結的SNDCZn樣品擁有比1300℃燒結的SNDC樣品更高的晶界電導率。100-1000℃的測試溫度范圍內(nèi)，SNDCZn樣品的平均熱膨脹系數(shù)為13.9×10-6 K-1，與SNDC的。以濕氫氣為燃料、靜態(tài)空氣為氧化劑的單電池Ni-SNDC|SNDCZn|SBCO-SNDC中半電池共燒1250℃，測試溫度650℃時開路電壓達到0.75 V，最大輸出功率密度達到413 mW/cm2，歐姆阻