BSCF+LSM纳米薄膜-新型SOFC阴极的氧催化活性和耐CO2能力研究

(Ba,Sr)(Co,Fe)O3-δ (BSCF) exhibits excellent performances as a cathode of intermediate temperature solid oxide fuel cell and an oxygen permeation membrane. Unfortunately, it is found to be instable under CO2 conditions, which is considered to limit the quick development of BSCF. In this study, a novel method was proposed and used to improve the stability of BSCF by coating a dense and uniform nano-film of (La,Sr)MnO3 (LSM, 50 nm thick) on BSCF surface via a simple process of epitaxial growth. The novel composite cathode has a potential to make effective use of the desirable properties of two different materials: the high electronic and ionic conductivity of BSCF backbone and the excellent stability of LSM film. The effect of LSM film on BSCF catalytic activity will be studied through an analysis of electrical conductivity relaxation and electrochemical polarization. And the stability of the novel composite cathode will be confirmed by a stability test of BSCF+LSM-film composite particles, dense pellets and porous electrodes under different temperatures and/or P(CO2). Furthermore, mechanical investigation about epitaxial growth of LSM nano-film inside BSCF porous electrode will be done to provide references for relevant surface modifications.

(Ba,Sr)(Co,Fe)O3-δ（BSCF）作为固体氧化物燃料电池（SOFC）中温阴极材料及透氧膜材料均表现出卓越的性能。但其稳定性问题，尤其是CO2中毒，始终限制着BSCF的大规模应用。本项目拟采用溶液浸渍方法在BSCF表面外延生长一层致密且均匀的 (La,Sr)MnO3（LSM）纳米薄膜（厚度约50 nm）。利用表层的LSM来提升和保证整个电极的稳定性；利用BSCF来保证电极的高离子和电子传导性。进而制备出一种具有较高氧催化活性和很高稳定性的新型复合阴极。并通过电导弛豫和活化极化测试，研究LSM薄膜对BSCF氧催化活性的影响；通过测定BSCF+LSM纳米薄膜复合粉体、致密块状样品和多孔电极在不同温度和气氛下的性能变化，全方位验证这种复合电极的稳定性，尤其是耐CO2能力。并加深对多孔电极内表面外延生长纳米薄膜层的机理性认识，为相关表面修饰研究和应用提供技术借鉴和科学指导。

能源短缺和环境污染始终是影响现代社会可持续发展的重要问题。固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种清洁、高效的电化学能源转换装置越来越受到世界各国的重视。然而，目前SOFC的商业化进程才刚刚起步，其主要原因之一是SOFC的电极在长期运行中不够稳定，体现在：（1）电极材料容易烧结；（2）易与相邻材料反应生成低导电和低活性物质；（3）对某些气体过于敏感，易引起电极中毒。因此，提升和改善电极稳定性已成为推进SOFC实用化的核心问题。阴极是SOFC的重要组成部分。LSCF和BSCF作为SOFC中温阴极材料已表现出卓越的性能，但研究发现LSCF和BSCF在含有少量CO2或H2O的气氛中不够稳定。究其原因在于材料中的Sr和Ba元素容易从钙钛矿晶格中脱嵌并向表面迁移，遇空气中的H2O和CO2反应生成电导率低，催化活性差的(Ba,Sr)(OH)2和(Ba,Sr)CO3。这种惰性层覆盖表面活性点，最终导致电极失效。为提高LSCF和BSCF阴极的长期工作稳定性，本项目采用溶液浸渍的方法在多孔LSCF和BSCF阴极内表面外延生长一层致密且均匀的LSM纳米薄膜，用于阻挡基底表面与外界气体的直接接触，进而避免生成惰性层。具体的研究内容包括：（1）选取浸渍溶液的溶剂、金属离子络合剂、表面活性剂；（2）优化各个组分的比例，并确定溶液pH值；（3）优化溶液的干燥过程；（4）优化薄膜的烧结过程和成相温度；（5）通过SEM和高分辨TEM追踪优化过程中的成膜情况；（6）设计对称电池分析电化学极化过程；（7）设计全电池测试电池长达400小时的运行稳定性；（8）设计模型电极分析LSM薄膜的协同效应，并通过模拟和理论计算进一步验证实验结果。基于上述研究结果，迄今为止发表SCI论文25篇，包括2篇Energy Environmental Science（第一作者，影响因子20.523），申请国家发明专利5项（已授权），培养博士生1名，硕士生3名，本科生8名。本项目通过实验设计和过程优化最终成功制备了一种新型核壳结构阴极，并通过电化学测试和理论模拟最终证实了电极的高稳定性，成功解决了LSCF和BSCF的长期工作稳定性问题，同时提出一种在多孔基底内部制备高致密度纳米陶瓷薄膜的新方法。