低温固体氧化物燃料电池非钴基阴极材料开发新策略——阴离子氧位掺杂

固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell,SOFC)由于拥有能量转换率高、环境友好、燃料多样性、全固态结构、组装工艺简单等优点受到了广泛关注,但其过高的操作温度限制了其在商业上的大规模应用。因此,为了促进SOFC商业化的主要途径就是尽可能地降低SOFC的操作温度。然而随着操作温度的降低,阴极极化电阻和电解质欧姆阻抗增加会导致电池整体性能的急剧下降,且阴极氧还原活性的降低成为了SOFC实现低温商业化的主要瓶颈。目前,提高阴极氧还原活性的途径主要包括通过优化电极微观结构和流道宏观结构以提高性能以及寻找新型的电极材料以适应低温操作的需要。由于电极微观形貌和流道宏观结构调控在长时间高温操作中形貌和结构易坍塌,不合适商业化应用,因此开发新型的高性能的阴极材料变的尤为重要。开发高性能阴极材料的途径主要包括金属阳离子掺杂、复合阴极以及浸渍法等。虽然相对于钴基钙钛矿氧化物,铁基阴极具有相对较低的氧还原活性,但较低的热膨胀系数和较高稳定性使铁基阴极具有更好的商业应用前景。因此,开发高性能的铁基钙钛矿氧化物阴极材料成为了SOFC方向的研究热点。

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近期,南京工业大学邵宗平教授及其研究团队在设计开发高性能SOFC阴极材料策略方面取得了重要进展。采用溶胶凝胶联合络合法制备了铁基SrFeO3σ-δFσ和SrFe0.9Ti0.1O3σ-δFσ (σ=0.00、0.05和0.10)钙钛矿氟氧化物,研究发现F元素掺杂以后的SrFeO3σ-δFσ和SrFe0.9Ti0.1O3σ-δFσ (σ=0.05和0.10)都展现出了相对于它们母体氧化物较高的氧还原活性,如SrFeO3-δ,SrFeO2.95F0.05和SrFeO2.90F0.10在600 °C时的阻抗值依次分别为0.875,0.393和0.491 Ω cm2,其中阻抗减小的幅度完全可以和金属阳离子掺杂B位掺杂引起的效果相媲美。更为重要的是,阴离子氧位掺杂的SrFeO2.95F0.05氟氧化物在作为氧还原电极时还具有良好的稳定性。这项工作是阴离子氧位掺杂钙钛矿氧化物在固体氧化物燃料电池阴极材料中应用的首次报道。与此同时,也可以在一些高性能的钴基钙钛矿材料的氧位掺杂一些其它非金属阴离子(H,Cl,S2-,N3-)来进一步提高其性能,如Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3δ, SrCo0.9Nb0.1O3δ,SrCo0.8Nb0.1Ta0.1O3δ等。因此,这为开发高性能SOFC阴极材料提供了新的方向。

相关工作发表在Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201700242)上。文章第一作者为南京工业大学化工学院博士研究生张振宝。