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摘 要

类钙钛矿型A₂BO₄型复合氧化物具有优良的氧扩散系数，较小的热膨胀系数，作为中低温SOFC阴极材料具有广阔前景。但其电子电导仍不太理想，本实验通过铁元素掺杂改善La₂NiO_{4 δ}的性能。

本课题通过甘氨酸-硝酸盐法(GNP)制备了La₂NiO_{4 δ}阴极粉料和SDC电解质粉料。制备不同掺杂量的La₂Ni_1-xFe_xO_{4 δ}阴极粉料（x=0、0.1、0.2、0.3、0.4），讨论Fe的掺杂量和在不同温度下煅烧对阴极材料成相、热膨胀性能、电化学性能和导电性能的影响。结果表明：(1)Fe的最佳掺杂量为x=0.1；(2)Fe的掺入降低了材料的热膨胀系数。随着掺杂量的增大，热膨胀系数逐渐降低，且都在匹配范围之内；(3)Fe的掺杂量为0.1时测得的阻抗最小。

关键词：阴极材料 La₂Ni_1-xFe_xO_{4 δ} 热膨胀性能 电化学性能

ABSTRACT

Perovskite-like A₂BO₄ type compound oxide materials exhibit excellent oxygen diffusion coefficient and low thermal expansion coefficient (TEC), making them a promising candidate material of cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFC).But the electronic conductivity is still not very good, this experiment

effect on the performance of La₂NiO_{4 δ}through the doping test of iron.

The La₂NiO_{4 δ} cathode powder and SDC electrolyte powder used in the topic have been synthesized by glycine-nitrate process. In this experiment,we prepare different doping amount of La₂Ni_1-xFe_xO_{4 δ} cathode powder (x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4). The results showed that: (1) The optimum doping amount of Fe is x = 0.1; (2) The thermal expansion coefficient (TEC) decreased with the doped-Fe,and the thermal expansion coefficient are in the matching range ; (3) The impedance measured in this experiment is minimum when the doping amount of Fe is x= 0.1

KEYWORDS: Cathode materials；La₂Ni_1-xFe_xO_{4 δ}；Thermal expansion；Electrochemical performance

目录

第一章 文献综述 1

1.1燃料电池研究背景 1

1.2固态氧化物燃料电池（SOFC）工作原理 2

1.3 SOFC阴极反应机制 2

1.4 ABO₃阴极反应机制 3

1.4.1 ABO₃型阴极结构特征 3

1.4.2 ABO₃型阴极研究进展 4

1.5 A₂BO₄阴极反应机制 4

1.5.1 A₂BO₄型阴极结构特征 4

1.5.2 A₂BO₄型阴极研究进展 5

1.6 A₂B₂O₅型阴极反应机制 6

1.6.1 A₂B₂O₅型阴极结构特征 6

1.6.2 A₂B₂O₅型阴极研究进展 6

1.7 常用的La₂NiO_{4 δ}制备方法 7

1.7.1甘氨酸-硝酸盐法(GNP) 7

1.7.2 固相反应法 7

1.7.3 EDTA-柠檬酸法 7

1.8本文所选课题的必要性与主要工作 8

第二章 实验设计与表征 9

2.1 实验药品与仪器 9

2.2阴极性能测试 10

2.2.1 材料的物相表征 10

2.2.2 材料的化学相容性 10

2.2.3 交流阻抗测试 11

2.2.4 热膨胀系数测试 11

2.2.5 电导率的测定 12

第三章 实验结果分析 14

3.1 实验样品制备 14

3.1.1 阴极浆料的制备 14

3.1.2电解质的制备 15

3.1.3试样的制备 17

3.2不同掺杂量的La₂Ni_1-xFe_xO_{4 δ}物相分析 17

3.3电化学性能分析 18

3.4 LNF电导率测试 20

3.5 LNF的热膨胀性能测试 21

第四章 结论与展望 23

4.1结论 23

4.2 展望 23

参考文献 25

致谢 28

第一章 文献综述

1.1燃料电池研究背景

能源在社会工业发展乃至日常生活中有着重要意义，对经济发展有积极作用。传统的化石燃料给人类提供巨大方便的同时,也对地球环境造成了一定的危害，例如：（1）全球气候变暖,冰川融化,自然灾害频发;（2）如果以这样的能源消耗速度,化石能源资源在不久的将来会被耗尽。因此,寻求能量转换效率高和环境友好的新能源技术已成为当今世界各国发展的重中之重^[1,2]。其中燃料电池被广泛认知为21世纪最重要的能源技术之一。继水利技术、火力技术、核能技术，燃料电池成为第四代新型发电技术,它是在固体内部直接将化学能转化为电能的发电装置^[3],因此燃料的综合使用利用率很高。燃料电池之所以成为热门话题，成为了研究热点具有以下几种优点：

1. 利用率高。燃料电池的结构比较简单，可以将电池的化学能高效直接转变成电能，转化效率理论为70%。
2. 绿色环境友好。固体氧化物燃料电池的生成物是二氧化碳和水，无太多有害物质^[4]。
3. 成本低。催化剂不需要贵金属，减少了生产成本。
4. 燃料的使用范围广泛。除了常见的气体燃料例如甲烷，也可以使用一些液态燃料和固态燃料。

目前SOFC需要改进的主要为两方面，一是所需部件造价较高；二是传统的SOFC都是建立在一种因添加了少量氧化钇(Y₂O₃)而增加了稳定性的氧化锆(ZrO₂)电解质上的即YSZ,通常在800℃左右才能成为良好的氧离子传导体, 它的工作温度主要集中在高温段（800~1000℃），在高温段反应较为剧烈，对材料以及设备具有较高的要求。目前研究的方向主要是降低SOFC的反应温度，在中低温下（600~800℃）延长烧结速率，可以延长电池寿命。同时对电池的性能也会有益处，例如阻抗急剧增加，电导率也急剧降低。

阴极材料的选择也不容小觑。研究新型混合导电型的阴极材料能有效帮助对SOFC的改良^[5]。

1.2固态氧化物燃料电池（SOFC）工作原理

SOFC上方是多孔的阳极﹑下方是多孔的阴极和处于中心的电解质组成。在阳极发生氧化反应，燃料在阳极被催化剂氧化成阳离子，同时释放电子；氧化剂在阴极发生还原反应；电解质位于中间，是燃料的氧化反应和还原反应的隔带，同时使阳极的产物阳离子通过电解质运动到阴极或者阴极的产物阴离子通过电解质运动到阳极，与此同时，被阳极释放的电子通过外电路移动到阴极，使反应平衡，外部形成了电流。

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