电极厚度对La0.3Sr0.7Fe0.7Cr0.3O3–δ多孔阴极电催化活性的影响开题报告

 2020-02-10 10:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

能源是国民经济和社会发展的基础,在社会经济不断发展的今天,人类对能源的需求逐渐增加。目前,我们使用的能源仍是以化石燃料为主,这种能源在地球上的储存量有限,且在燃烧的过程中会对环境造成污染。因此,减少化石燃料的使用和发展新的能源具有重要的意义。

燃料电池(FuelCell, FC)是一种不需要经过燃烧就能将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的电化学装置,可以使用氢气、天然气、水煤气等作为燃料,具有能量综合转化效率高、运行无污染、负荷响应快等优点。根据电解质种类的不同,FC 大体可分为五类:(1)以浓磷酸水溶液为电解质的磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC);(2)以氢氧化钾溶液为电解质的碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell, AFC);(3)以碱金属碳酸盐熔融混合物为电解质的熔融碳酸盐燃料电池(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC);(4)以质子交换膜为电解质的质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC);(5)以氧离子导体或质子导体为电解质的固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)。其中,SOFC 是继 PAFC 和 MCFC 之后的第三代燃料电池系统,它被认为是极具发展潜力的发电系统,因此成为了国内外研究者的研究热点。

电解质的性能对 SOFC 的正常运行和工作性能起着重要的作用。一方面,电解质作为隔绝阳极燃料气体和阴极空气的物理隔离层,必须具有良好的致密性,在高温条件下能够保持化学稳定性,这跟电解质的一侧处在还原气氛的燃料气体中,而另一侧处在氧化气氛的氧气中的工作特点有关。另一方面,电解质承载着氧离子传导的重要功能,因而要求电解质材料达到较高的离子电导率(gt;1×10-3 S·cm-1)。

阴极的主要作用是将氧分子催化为氧离子,是对氧还原反应的催化剂和反应场所。Pt、Ag 等贵金属曾被用作 SOFC 的阴极,但 Pt、Ag 等贵金属电极由于成本高、热匹配性差、高温挥发等问题,在 SOFC 阴极上实际已经很少采用。20 世纪 70 年代,掺 Sn 的 In2O3 作为阴极材料体现出了较好的性能,制备也比较简单,但是同样由于价格和热稳定性的问题,难以满足 SOFC 技术发展的要求。钙钛矿型复合氧化物(ABO3)、层状钙钛矿型复合氧化物(A2BO4)等阴极材料成为了当前研究的热点。

在对离子-电子混合导体型多孔阴极的研究过程中,国内外研究学者提出来活性区域的概念,认为对特定的阴极材料和在特定的电化学条件下,能够有效地起到催化氧化还原反应的电极区域是有限的,这个区域主要集中在靠近电极与电解质界面处。此外,多孔电极的可利用区域范围(即有效厚度)通常大于活性区域长度(δ)。例如,在800℃和空气气氛条件下,对La0.6(Ca,Sr)0.4Co0.2Fe0.8O3多孔电极的电化学性能的研究结果表明,该多孔电极的δ值为~10μm,除此之外的电极区域主要起到收集电流的作用;对La1-xSrxCoO3多孔电极的极化行为的研究结果表明,其δ值与氧空位扩散系数(Dv)和氧表面交换速率常数(R0)有关,并且受电极表面积影响显著,其数值介于0.3μm -10μm之间;对Sm0.5Sr0.5CoO3多孔电极的研究表明,其有效厚度为~15μm。

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