【摘 要】
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中温固体氧化物电解池(IT-SOEC)中隔离层位于氧电极与电解质之间,其性能直接影响氧电极极化电阻,因此为降低氧电极极化电阻,需改善隔离层性能。钐掺杂二氧化铈(SDC)是常见的IT-SOEC隔离层材料,然而,SDC隔离层的致密度以及离子电导率仍有待进一步提高。针对这一科学问题,本文通过在SDC隔离层中复合过渡族金属氧化物,来提高SDC隔离层的致密度和离子传导能力,进而改善SDC隔离层性能,从而降低
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中温固体氧化物电解池(IT-SOEC)中隔离层位于氧电极与电解质之间,其性能直接影响氧电极极化电阻,因此为降低氧电极极化电阻,需改善隔离层性能。钐掺杂二氧化铈(SDC)是常见的IT-SOEC隔离层材料,然而,SDC隔离层的致密度以及离子电导率仍有待进一步提高。针对这一科学问题,本文通过在SDC隔离层中复合过渡族金属氧化物,来提高SDC隔离层的致密度和离子传导能力,进而改善SDC隔离层性能,从而降低氧电极极化电阻。具体来讲,本文以SDC、SDC-CuO和SDC-Fe2O3为隔离层,研究其对SOEC氧电极极化电阻以及SOEC电解性能的影响。(1)以BSCF-SDC为氧电极,分别制备了基于SDC和SDC-CuO隔离层的SOEC,并对材料的X射线衍射谱图、微观形貌以及电解池的电化学性能进行了表征。研究结果表明:SDC-CuO隔离层较为致密;在开路电压及工作温度为800℃的条件下,基于SDC-CuO隔离层的SOEC极化电阻较低,这说明通过提高SDC隔离层氧离子传导能力能够改善SOEC氧电极性能。(2)以LSCF-SDC为氧电极,研究了SDC-CuO隔离层的三种烧结温度(1000℃、1050℃和1100℃,隔离层分别简称为SDC-CuO-1000、SDC-CuO-1050和SDC-CuO-1100)对隔离层微观形貌以及氧电极极化电阻和SOEC电化学性能的影响。实验结果表明:1050℃和1100℃制备的隔离层更加致密;基于SDC-CuO-1050隔离层的对称电池氧电极极化电阻低于基于SDC隔离层的对称电池;并且基于SDC-CuO-1050隔离层的SOEC性能最优。这是由于具有较高氧离子传导能力的SDC-CuO-1050隔离层可以提供更多的氧离子参与氧电极的电化学反应,从而减少氧电极的极化电阻,进而改善了SOEC的性能。(3)在SDC隔离层中复合过渡族金属氧化物Fe2O3,制备SDC-Fe2O3复合隔离层材料,表征了SDC与SDC-Fe2O3样品的X射线衍射谱图、表面微观形貌图和SOEC电流密度-电压特性曲线。实验结果可以看出:SDC-Fe2O3材料制备的电解质结构致密无孔隙;在800℃和1.5V下,基于SDC-Fe2O3隔离层的SOEC电解电流为0.431A cm-2,高于基于SDC隔离层的SOEC(0.184A cm-2)。以上结果表明,通过复合Fe2O3提高SOEC中SDC隔离层的离子电导率可以降低氧电极的极化电阻,并提高SOEC的电解能力。因此,本文为提高IT-SOEC的SDC隔离层性能提供了可行有效的方法。
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