异质氧化物稳定钙钛矿型复合氧化物阴极的机制研究

Perovskite oxides are widely used as cathode materials for solid oxide fuel cell (SOFC). However, the strontium segregation on the surface of perovskite cathode leads to serious performance degradation. In this project, we propose a heterostructured oxide stabilized perovskite cathode by coating MO2 (M = Ti, Sn, Zr, Ce…) oxides on perovskite oxides to suppress the strontium segregation and thus improve the cathode stability. In this project we will: 1) examine the relation between strontium segregation and the chemical nature of perovskite, and the impact of operating parameters (gas composition, temperature, etc.) on strontium segregation; 2) study the chemical composition and structure of the heterostructured oxide interface, and its impact on the suppressing strontium segregation; 3) characterize the electrochemical catalytic activity of the heterostructured oxide stabilized perovskite cathode, and how it is affected by operating parameters; 4) explain the stablization mechanism of the heterostructured oxide stabilized perovskite cathode. This project will develop a novel preparation technique for cathode, improve the stability of cathode, and promote the application of SOFC.

针对钙钛矿型复合氧化物的锶表面富集、偏析和颗粒烧结导致阴极性能衰减的问题，提出构建钙钛矿型复合氧化物- MO2（M = Ti, Sn, Zr, Ce…）氧化物异质界面以提高阴极的稳定性，探讨阴极中异质氧化物界面的作用机制。主要研究内容包括：（1）钙钛矿型复合氧化物的锶偏析规律，包括锶偏析与钙钛矿型复合氧化物组成的关系，反应气氛、温度等对锶偏析的影响以及锶偏析对阴极电催化活性和稳定性的影响；（2）钙钛矿型复合氧化物- MO2氧化物异质界面作用研究，包括界面区化学组成、结构和稳定性与异质氧化物MO2组成、结构和性质的关系；（3）异质氧化物界面稳定钙钛矿型复合氧化物阴极的电催化活性，包括不同温度、氧分压和极化等条件下阴极电催化活性的变化规律；（4）异质氧化物界面稳定阴极的作用机制。本研究将发展固体氧化物燃料电池新型阴极制备技术，提高钙钛矿型复合氧化物阴极的稳定性，推动固体氧化物燃料电池技术发展

本项目针对钙钛矿型复合氧化物的锶表面富集、偏析和颗粒烧结导致阴极性能衰减的问题，开展了构建钙钛矿型复合氧化物与MO2（M = Ti, Sn, Zr, Ce）氧化物或其掺杂氧化物异质界面来提高阴极稳定性的相关研究，并揭示了阴极中异质氧化物界面的作用机制。具体研究了：（1）以CO2和H2O为探针分子认识钙钛矿型复合氧化物的锶偏析规律，以及组成偏析电极的电化学稳定性；（2）钙钛矿型复合氧化物- MO2氧化物或其掺杂氧化物异质界面作用规律，包括界面区化学组成、结构和稳定性与异质氧化物MO2组成、结构和性质的关系；（3）异质氧化物界面稳定钙钛矿型复合氧化物阴极的电催化活性，包括不同组成复合阴极的性能和氧还原机制；（4）异质氧化物界面稳定阴极的作用机制。本项目开发的异质氧化物界面稳定阴极表现出高的电催化活性和优异的稳定性，电池千小时运行衰减率小于0.02%/kh。本研究发展了固体氧化物燃料电池新型阴极制备技术，提高了钙钛矿型复合氧化物阴极的稳定性。