具有梯度组成的SOFCs氧还原电极的喷墨打印制备及氧还原机制研究

Solid oxide fuel cells (SOFCs) are expected to play an important role in the future clean energy system as efficient electrochemical energy conversion devices. Intermediate-temperature SOFCs have been widely proposed and the key issue is to develop cathodes with high activity of oxygen reduction at such temperatures. The project proposed a way to fabricate the graded cathodes for SOFCS via inkjet printing and explored the mechanism of the oxygen reduction reaction of these cathodes. The proposed cathodes with component gradient change consist of classic composite cathode materials. The content of oxygen ion conductor decreases while the electronic conductor increses in the direction from bottom to surface of the cathodes.Powder morphologies, physical and chemical characters of the inks and the the operating parameters for inkjet printing are investigated.SEM-EDX and mercury injection method are used to detect the composition and pore size distribution of electrode materials. The electrochemical performance of electrodes is investigated by means of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) based on the symmetrical cell configuration under different oxygen partial pressure and temperature to explore the mechanism of oxygen reduction reaction on graded cathodes.And the mechanism will be helpful to optimize the composition of the oxygen reduction electrodes.The proposed electrodes can successfully improve the performance of oxygen reduction electrodes, such as the activity, chemical stability, thermal and mechnical stability.

固体氧化物燃料电池（SOFCs）是一种高效的电化学能量转化装置，中低温化是其在未来的清洁能源体系中能得以应用的关键，其核心问题是开发在中低温下具有高氧还原活性的阴极。本项目提出了采用喷墨打印技术来制备具有功能梯度结构的SOFCs的电极并对相关电极的氧还原行为进行深入的研究，以经典的复合阴极材料，构建结构梯度分布的SOFCs氧还原电极，制备出材料组成呈现梯度变化的复合电极，由里至外，氧离子导体的含量逐渐的变小，而电子导体的含量逐渐的变大，研究粉体形貌、电子墨水的物理化学性质以及操作工艺参数对制备过程的影响。采用SEM-EDX，压汞法等方法测试功能梯度电极的材料组成和孔径分布；通过构建对称电池,采用电化学阻抗谱来探索电极的性能，结合改变气氛中氧分压及温度，探索电极的氧还原机理，进而指导优化最佳的梯度组成。通过功能梯度电极有望有效地提高SOFCs氧还原电极的活性、热化学稳定性及热机械稳定性。

在国家自然科学基金的资助下，研究团队开展了以固体氧化物燃料电池及喷墨打印技术为核心的科学研究工作。通过流延成型的方法制备了固体氧化物燃料电池阳极，通过喷墨打印技术制备固体氧化物燃料电池电解质，通过浸渍或者喷墨打印技术制备固体氧化物燃料电池阴极而得到固体氧化物燃料电池单电池。研究制备过程及固体氧化物燃料电池的电化学性能和电池反应性能，尝试了固体氧化物燃料电池的单腔体操作及内部燃料的化学转化。.以喷墨打印技术制备的电解质和阴极的固体氧化物燃料电池在工作温度下表现出较好的电化学性能。700 oC工作温度下，以氢气为燃料，空气为氧化气时，含有喷墨打印技术制备的多孔阴极的固体氧化物燃料电池的最大功率密度达到1100 mW cm-2。以甲烷为燃料、氧气为氧化气氛时，实现了电与化学品共生，单电池的开路电压达到1.02-1.08 V，最大功率密度大于300 mW cm-2，结合使用甲烷部分氧化催化剂可以得到H2和CO比例约为2:1；以氢气为燃料，含NO的气氛为氧化气时，实现了发电与NO脱除的协同，500 oC下实现NO的脱除率大于80 %。.项目研究取得了一定的成果，在项目执行期间，发表SCI收录论文3篇（已标注），申请一项美国专利（已收到授权通知书），获得一项中国发明专利授权。在项目经费资助下，参加国内学术会议一次并做口头报告，参加国际学术会议一次并做墙报展示。