双钙钛矿型混合导体阴极的高温缺陷、输运与膨胀性质研究

电子-离子混合导电型复合氧化物在固体氧化物燃料电池（SOFC）等领域有重要应用，其中A位有序的双钙钛矿型LnBaCo2O5+δ(Ln为轻稀土元素)具有高电导率和快速氧输运性质，因而成为非常有前景的中低温阴极材料。本项目计划系统研究Co位Ni、Fe、Mn掺杂GdBaCo2O5+δ 材料的氧非化学计量、高温结构、输运和膨胀等性质随组分、温度和氧分压的变化规律及其内在联系。探明掺杂材料的氧缺陷、氧扩散和表面交换动力学性质，区分并定量分析热膨胀和由B位过渡族金属离子还原带来的化学膨胀。通过本研究开发新型高性能、低膨胀的中低温SOFC阴极材料，为分析和深入理解混合导体阴极的缺陷化学性质与反应机制提供科学依据。

本课题研究了双钙钛矿型GdBaCo2O5+δ (GBCO)基混合导体材料的高温性质。已完成的主要工作有（1）系统考察了Ni、Fe掺杂GBCO电极性质。Ni掺杂后部分抑制了Co3+的自旋态转变，进而显著降低材料热膨胀系数。高温电输运性质下降而极化电阻轻微增大；（2）通过浸渍法在多孔GBCO电极表面修饰CeO2或Ce0.8Sm0.2O1.9 （SDC）纳米颗粒，提高阴极电催化性能。复合电极性能稳定，变氧分压实验表明电荷转移过程是氧还原的反应速率控制步骤。阳极支撑电池中欧姆电阻随极化电压变化很小，而电极极化则变化显著，电池的性能主要受电极极化控制；（3）研究了GBCO-SDC直接混合的复合阴极。SDC的加入使得GBCO的脱氧峰提前约20C，氧非化学计量（氧缺陷）浓度增加的温度提前。加入40%wt.SDC的复合阴极表现出最低的过电位，同时最大电导率仍然>100 Scm-1。本研究加深了对GBCO基电极材料高温性质的理解，对SOFC及相关研究起到了很好的促进作用。