文献综述

一.燃料电池阴极材料的制备原料

其实，燃料电池技术并不是一项新兴技术，起发展历史可追溯到一个半世纪以前。燃料电池的发展历史的确是一个很长的历史历程，它也是人类科技史特别是能源科技是和电能发展史中的一个重要组成部分。燃料电池经历了碱性、磷酸、熔融碳酸盐和固体氧化物等几种类型的发展阶段，燃料电池的研究和应用正以极快的速度在发展。

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有能源的综合利用率高、运行无污染等突出优点，^[1]是一种极具发展前景的新型能源转换系统。^[2]因此本文主要阐述的内容是关于固体氧化物燃料电池阴极材料的研究发展情况。

阴极材料是SOFC的重要组件，其欧姆损失在整个中温SOFC的欧姆损失中约占65％。若降低SOFC的运行温度，将引起阴极的极化过电位增加、界面电阻增大。因此，研制与电解质材料匹配性良好的新型阴极材料是发展中温SOFC的前提和基础。^[3]目前研究最多的阴极材料包括：（1）ABO₃型阴极材料，在ABO₃型钙钛矿结构复合氧化物阴极材料中，A位通常为La、Pr、Sm、Gd、Nd等离子半径较大的Im 系金属离子；B位为Mn、Fe、Co、Cr等具有较小离子半径的3d、4d和5d过渡金属离子；^[4]（2）A₂BO₄型阴极材料，尽管Co基的简单立方钙钛矿型复合氧化物因其优良的电子一离子混合导电性而成为中温SOFCs阴极材料的主要候选材料。但其在中低温范围的导电性、氧催化活性及其高的TEC还有待进一步改善。因此研究者不断在寻求新的性能更好的阴极材料。具有K₂NiF₄结构的A₂BO₄结构复合氧化物与钙钛矿结构的ABO₃型化合物密切相关。A₂BO₄结构的复合氧化物可以看作是由钙钛矿结构的ABO。和岩盐结构的AO层沿C轴方向交叠而成的复合氧化物。由于AO岩盐层的插人，使ABO₃结构复合氧化物具有更广泛的空间变化和更特殊的结构特性。除具有与AB0₃钙钛矿结构相类似的一些重要性能外，还具有一系列的独特性能，如二维导电性、选择性催化作用、抗铁磁性及高温超导性能等；^[5]（3）AA¹B₂Os型阴极材料，AA¹B₂Os型阴极材料为层状双钙钛矿结构，A位为Ln系金属(Ln=Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Y)，A 为碱土金属(通常为Ba)，B为二价或三价的过渡金属(通常为Co)；^[6]（4）复合阴极。^[7]而制备以上几种阴极材料的原料则包括：La₂O₃，纯度99.0%；SrCO。，纯度99.0% ；Mn粉，纯度99.0%；MnO₂，纯度≥85%；NaClO₄，纯度99．5％等。^[8]

除此之外，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)阴极材料主要为Ni、LiCoO₂^（2-5）和LiFeO₂^（5）。制备原料为一定比例的Fe₂0₃，和Li₂CO₃^[9]；A1-H₂0₂燃料电池阴极材料主要为泡沫镍基底。^[10]

二.燃料电池阴极材料的制备工艺

燃料电池阴极材料的制备工艺有(1)蔓延高温合成技术(SHS)制备固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极材料La_1-xSr_xMnO₃(LSM)。[11]自蔓延高温合成法(SHS)是一种利用物质反应热的自传导作用，使不同物质之间产生化学反应，在极短时间内生成化合物的高温合成方法。该方法具有能耗低、产品纯度高、反应速度快等一系列优点；^[12] (2) 固相法、燃烧法和溶解一凝胶法三种制备固体氧化物燃料电池阴极材料的工艺合成的LSM粉体成ABO₃钙钛矿结构，没有杂相生成。^[13]其中溶胶一凝胶法较固相法相比具有合成温度低、化学均匀性好等优点，^[14]燃烧法是一种利用金属硝酸盐和尿素或碳酰肼等物质的燃烧反应合成氧化物或盐的方法，与高温固相法相比，该法具有合成温度低和反应时间短的优点；^[15]（3）凝胶浇注法，该方法工艺设备简单，可以改善材料微观结构、提高材料的均匀性、提高孔隙率、增大三相界面，是一种实用性很强、应用前景非常广阔的工艺；^[16]（4）氨基乙酸法，^[17]通过使用氨基乙酸法和固相合成法制备的粉末，能够实现阴极中晶粒尺度的调控：通过控制浆料中SSC和SDC相对含量获得了组分梯度,控制造孔剂含量有效地实现了孔隙度的调控，从而获得梯度化的固体氧化物燃料电池阴极；^[18]（5）浸渍法，^[19]使用浸渍法制备具有纳米催化粒子的固体氧化物燃料电池电极可以提高电池性能；^[20]（6）另外还有化学共沉淀法、水热法、喷雾干燥法等。^[21]

三.燃料电池阴极材料的工业化前景

从阴极材料的角度而言，降低SOFC的运行温度引起阴极的极化过电位增加、界面电阻增大，进而使SOFC的工作性能明显劣化。^[22]采用半径较小的镧系稀土离子代替LSFC中A位La、采用LSFC混合导体与DCO电解质组成复合体系材料、探索A₂BO_{4 δ} 型La₂NiO_{4 δ} 体系材料等途径，^[23]能够获得几种兼有优良导电性能和合适热膨胀系数的阴极材料，这必然成为未来工业化前景的发展方向。^[24]