中温固体氧化物燃料电池纳米复合阴极的氧还原机理研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效低污染的电化学能源转换装置。目前阴极的高极化损耗是限制中温SOFC性能及技术发展和应用的瓶颈之一。本项目拟采用溶液浸渍技术对传统的阴极材料进行改性，制备出兼有高氧催化还原活性、化学稳定性和热匹配性与一体的纳米结构复合阴极。在制备纳米复合阴极的基础上，利用暂态技术中的线性扫描法和电化学阻抗谱法分别测定电极的性能，重点研究阻抗谱在通过调节氧分压、温度、担载粒子的大小、电极材料的本征电阻率等因素下的响应变化，分析阴极氧还原过程对氧分压、温度等输入参数的响应，计算出速率控制步骤的动力学参数，辨识电极反应的具体过程。项目的实施有利于揭示氧还原反应的速率控制过程与电极结构间的内在联系，为优化复合阴极性能提供理论依据，促进复合阴极在SOFC中的应用。

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效低污染的电化学能源转换装置。目前阴极的高极化损耗是限制中温SOFC性能及技术发展和应用的瓶颈之一。本项目采用溶液浸渍技术对传统的阴极材料进行改性，制备出兼有高氧催化还原活性、化学稳定性和热匹配性与一体的纳米结构复合阴极。在制备纳米复合阴极的基础上，利用暂态技术中的线性扫描法和电化学阻抗谱法分别测定电极的性能，重点研究阻抗谱在通过调节氧分压、温度、担载粒子的大小等因素下的响应变化，分析阴极氧还原过程对氧分压、温度等输入参数的响应，计算出速率控制步骤的动力学参数，辨识电极反应的具体过程。. 本项目的主要研究结果为：. （1）浸渍溶液中使用表面活性剂可以改变浸渍电极的微观结构，进而影响电极的催化性能。LSCF+YSZ纳米复合阴极的稳定性较差，电极颗粒在高温和电流作用下发生了长大，电极的欧姆电阻和极化电阻均随测试时间增长而逐渐增大。. （2）纳米复合阴极阻抗谱复平面第四象限出现的感抗弧主要与两种因素相关：①LSCF的担载量；②测试温度。第四象限的感抗弧在偏压（或偏电流）或者低氧分压下会消失。我们认为该现象是由于电极表面吸附过多的氧原子或氧分子引起的，尤其是电极表面的氧分子的吸附-脱附过程深刻影响阻抗谱中的电感弧的出现。阻抗谱.中电感的出现是与电极结构密切相关的，当电极表面富集大量的氧气分子，而电极的孔隙较小，富集的氧气分子不能通过电化学反应快速转化为氧离子而传导给电解质，造成氧气分子在孔隙中主要以克努森扩散为主，该扩散过程会伴随产生电阻和电感。当温度升高时，分子与壁面碰撞的机会增大，使得该扩散产生的阻力增大，因此升高温度时会使电极阻抗谱的电感现象加剧。. （3）在阴极氧还原过程中，电极的速率控制过程与电极结构密切相关，当逐渐降低LSCF担载量时，电极的速率控制步骤逐渐发生转变，转变顺序为：氧分子的吸附→氧原子的吸附→电荷转移和氧离子扩散。对照发现，随着担载量降低，电极反应的控制步骤从电极的表面逐渐转移至电极与电解质的界面处，电极反应出现了纵深方向的扩展。同时发现电极的速率控制过程与电极表面氧分子的浓度密切相关，当将低氧分压或施加偏压能有效降低电极表面的氧分子的浓度，从而导致电极的速率控制过程也发生从电极的表面逐渐转移至电极与电解质的界面处的过程。