孫翠翠,孟祥偉,呂世權(quán),柴 源
(1.吉林師范大學 凝聚態(tài)研究所;2.吉林師范大學 功能材料物理與化學教育部重點實驗室;3.吉林師范大學 信息技術(shù)學院,吉林 四平 136000)
La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ(x=0.4,0.5,0.6)陽極材料的結(jié)構(gòu)和導電性能研究
孫翠翠1,2,孟祥偉1,2,呂世權(quán)1,2,柴 源3
(1.吉林師范大學 凝聚態(tài)研究所;2.吉林師范大學 功能材料物理與化學教育部重點實驗室;3.吉林師范大學 信息技術(shù)學院,吉林 四平 136000)
本文使用燃燒法制備陽極材料La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ(x=0.4,0.5,0.6).通過XRD分析得出經(jīng)過1300℃煅燒30h的LSCF形成了正交鈣鈦礦相.利用范德堡法對LSCF的導電性能測試,結(jié)果顯示1400℃燒結(jié)30h的LSCF(x=0.4)樣品的電導率達到14.728S/cm.
陽極;固體氧化物燃料電池;電化學性能
隨著我國經(jīng)濟的快速增長,使得對能源的需求迅速增加,而傳統(tǒng)的能源利用方式存在低效和增加環(huán)境污染等問題,這使我們面臨著能源短缺.因此尋求一種環(huán)境友好型的綠色能源迫在眉睫.燃料電池以碳氫化合作為燃料,將燃料氣體和氧化劑氣體的反應(yīng)能轉(zhuǎn)化為電能,具有效率高,污染低的特點.是一種環(huán)境友好型的綠色能源裝置.燃料電池由陽極,陰極和電解質(zhì)組成.在燃料電池中,陽極是燃料電極,是燃料氣體發(fā)生氧化反應(yīng)的場所.陽極的選取對燃料電池的性能有很大的影響.[1-5]
LaCrO3是鈣鈦礦型(ABO3)復合氧化物,它在室溫下是正交結(jié)構(gòu).當溫度升高到240~280℃之間時開始由正交結(jié)構(gòu)向菱形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,在1000℃以下其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是菱形結(jié)構(gòu).LaCrO3的熔點是2490℃,具有耐腐蝕的特性,同時在高溫下具有良好的化學與物理穩(wěn)定性.[6]
鈣鈦礦中A,B位元素的作用不同,在A位的La3+元素能使材料的結(jié)構(gòu)得到穩(wěn)定,部分的La3+元素被Sr2+元素取代能夠使材料的電導性能得到提高.在B位Cr3+元素能夠使材料的穩(wěn)定性得到保證.此外,B位Cr3+元素還可以提高陽極材料本身對含硫燃料的容忍性,Cr3+元素被Fe3+元素部分取代能夠使陽極材料的催化性能得到提高,同時減少碳沉積現(xiàn)象.目前,LaCrO3基陽極材料是具有開發(fā)前景的新型陽極材料之一.文中使用燃燒法制備并合成了La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ(x=0.4,0.5,0.6)陽極材料,對其電導性能和結(jié)構(gòu)進行初步研究.[6]
采用燃燒法制備陽極材料La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ(x=0.4,0.5,0.6),首先按照化學計量比稱量La2O3,Sr(NO3),Cr(NO3)3· 9H2O,Fe(NO3)3·9H2O初始原料,使用甘氨酸作為助燃劑.制作好的超細粉體分別在兩個溫度點1300℃和1400℃下煅燒30小時,冷卻后取出.用瑪瑙研缽充分研磨后壓片.得到兩組La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ(x=0.4,0.5,0.6)陽極材料樣品.得到的樣品用于xrd測試和電導率測試.其中電導率測試采用范德堡四電極法.先測出樣品的直流電阻,然后利用下式計算出電導率[7]:
其中f(R1/R2)為Van der Pauw函數(shù),t為樣品厚度.
2.1 XRD分析
圖a,b為不同溫度點煅燒的LSCF與LaCrO3的XRD對比圖.(a)圖顯示經(jīng)過1300℃煅燒30h的LSCF形成了正交的鈣鈦礦相,且沒有雜相出現(xiàn).說明LSCF可由1300℃煅燒30小時獲得.(b)圖顯示LSCF經(jīng)1400煅燒30小時后有極少的雜相生成.以上測試結(jié)果這說明LSCF最佳成相溫度是1300℃.
2.2 電導率分析
本文中采用Van der Pauw四電極法來測量樣品的直流電阻進而計算出其電導率,由下式計算樣品的電阻率[7]:
其中f(R1/R2)為Van der Pauw函數(shù),t為樣品厚度.
圖2.1顯示的是燒結(jié)溫度為1300℃的La0.75Sr0.25Cr1-xFex-O3-δ(x=0.4,0.5,0.6)樣品的電導率隨溫度變化的Arrhenius圖.測試環(huán)境為空氣氣氛.
圖2.1 1300℃燒結(jié)30h樣品在空氣氣氛電導率的Arrhenius圖
圖2.2是燒結(jié)溫度為1400℃的La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ(x=0.4,0.5,0.6)樣品電導率隨溫度變化的Arrhenius圖,測試是在空氣氣氛下進行的.
圖2.2 1400℃燒結(jié)30h樣品在空氣氣氛電導率的Arrhenius圖
如圖所示,測試溫范圍是300℃~900℃.由圖可知,溫度越高,樣品的電導率越大.此外,燒結(jié)溫度相同的樣品,電導率隨Fe摻雜量的增加而有所區(qū)別.其中900℃時此陽極材料的電導率最大,此時1300℃燒結(jié)30h(x=0.4,0.5,0.6)樣品的電導率分別為5.663S/cm,6.053S/cm,6.977S/cm.此時1400℃燒結(jié)30h(x=0.4,0.5,0.6)樣品的電導率分別為14.728S/cm, 6.994S/cm,7.056S/cm,表現(xiàn)出較好的導電性能.
本文制備了中溫固體氧化物燃料電池陽極材料La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ(x=0.4,0.5,0.6),并對不同溫度下燒結(jié)的La0.75Sr0.25Cr1-xFexO3-δ(x=0.4,0.5,0.6)樣品的結(jié)構(gòu)進行了初步分析.結(jié)果顯示經(jīng)過1300℃煅燒30h的LSCF形成了正交鈣鈦礦相.對不同溫度下燒結(jié)的LSCF樣品進行了導電性能測試,結(jié)果顯示1400℃燒結(jié)30h的LSCF(x=0.4)樣品的電導率達到14.728S/cm.
〔1〕李瑛,王林山.燃料電池[J].冶金工業(yè)出版社,2002.1.
〔2〕衣寶廉.燃料電池[M].上海:化學工業(yè)出版,2003.
〔3〕呂品.固體氧化物燃料電池的若干材料與技術(shù)問題研究[D].吉林大學物理學院,1999.
〔4〕黃喜強.固體氧化物燃料電池符合電極材料的制備基性能研究[R].博士后研究工作報告,2003.
〔5〕馬學菊,陳秀華,馬文會,戴永年,La1-xSrxCr1-yMnyO3-δ陽極材料的固相合成及導電性能研究.稀有金屬,2008,32(2).
〔6〕E.Maguire,B.Gharbage,Marque,etal.Cathode materials for intermediate temperature SOFCs[J].Solid State Ionics, Volume:127,Issue:3-4,(2000)329-335.
TM911.42
A
1673-260X(2016)11-0039-02
2016-08-07
2016年安徽高校人文社科重點研究項目(SK2016A0192)