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固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种全固态结构的能量转换器件,具有能量转换效率高,燃料来源丰富,集成度高等优势。通常,SOFC单电池具有阴极-电解质-阳极的非对称结构,即阴极、阳极具有不同的结构和性质。近年来,一种全氧化物对称结构SOFC得到了广泛的研究。所谓对称SOFC,即阴极和阳极采用相同的材料,并具有相同的结构特征。与非对称SOFC相比,对称SOFC的优势明显,包括(1)氧化物阳极具有更好的抗积碳和硫中毒能力,还可通过氧化还原循环再生,提高了 SOFC的长期稳定性。(2)阴极和阳极的材料与结构相同,热应力分布均匀,热震稳定性高。(3)可以简化制造工艺,降低了生产成本。(4)可在燃料电池和电解池(SOEC)模式下灵活切换,使其在电网调峰,能源互联网建设等方面有了更广阔的应用前景。本论文旨在探索对称结构SOFC氧化物电极,以钙钛矿氧化物及其衍生物为基础,通过体相掺杂和表面修饰,优化其电化学性能。第一章为绪论,主要介绍SOFC的工作原理,影响其性能的因素及其在可持续能源体系中的作用。总结SOFC的电解质,阴极,阳极材料及材料改性方法。引出课题的研究要点。第二章研究了具有 Ruddlesden-Popper 结构(A2BO4)的 La0.5Sr1.5MnO4 材料,并设计了B位过量Ni掺杂的La0.5Sr1.5Ni0.1MnO4+δ组分。Ni过量掺杂提高了材料中的氧空位浓度,使阴极的极化阻抗降低了 26%。同时,还原气氛下,Ni可从母相中脱溶析出,在阳极表面形成纳米级Ni颗粒,Ni纳米颗粒对H2在电极表面的反应具有良好的催化活性,使阳极极化阻抗降低了约41%。Ni过量掺杂对阴极和阳极催化性能的改善,使对称电池的最大输出功率密度提高了近4倍。第三章以钙钛矿结构(ABO3)的Sr2Fe1.5Mo0.sO6(SFM)材料为基础,研究A位Ca掺杂(Sr2-xCaxFe1.5Mo0.5O6)对材料电极性能的影响。钙掺杂使SFM的电导率由39.85 S cm-1最高提升至93.07 S cm-1(800℃,氢气气氛)。以La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)为电解质,800℃下以H2为燃料时,对称结构单电池的最大输出功率密度达到709 mW cm-2。SOEC模式下1.5 V电解水,电流密度可达1183 mA cm-2。采用三电极测试方法,分析了 H2在Ca0.25-SFM阳极电化学氧化的反应机理。Ca0.25-SFM阳极极化阻抗不受水分压的影响,而与氢气分压成反比。基于质量作用定律及Butler-Volmer方程建立了动力学模型,并将其与DRT分析结果进行对比。结果显示H2在电极表面的解离吸附贡献了大部分极化阻抗,并具有最大的活化能,是阳极反应的速控步骤。第四章总结了本论文的创新点及研究结论,并展望了该领域未来的研究热点。