熊明文(1975-), 男, 博士研究生. E-mail:xiongmingwen@sjtu.edu.cn
采用EDTA-柠檬酸联合络合法制备了SrCo1-
Cathode materials of SrCo1-
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种发展前途广阔的能量转换装置, 具有能量转换率高、燃料适应性强以及环境友好等突出优点。降低运行温度到中温范围(500~700℃)有利于降低生产制造与运行成本, 增加材料的选择范围, 延长电池的使用寿命。因此, 中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)已成为固体氧化物燃料电池发展的一个重要方向。但是, 随着工作温度的降低, 阴极的活性降低并引起极化损失的增加和界面电阻的显著增大, 从而导致电池性能的急剧下降[ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]。解决上述问题的一个有效方法就是设计开发中温性能优异的阴极材料。
研究表明, 具有电子-离子混合传导特性的 ABO3- δ 型钙钛矿能够有效增加电解质-阴极-空气的三相界面到整个阴极-空气界面, 明显地改善了阴极材料的电化学性能[ 8, 9]。SrCoO3- δ基体的取代型氧化物用作固体氧化物燃料电池的阴极材料的优越性能已被广泛认知[ 10, 11, 12], 但是SrCoO3- δ氧化物可以具有钙铁矿、2H六角晶或立方钙钛矿等相结构, Sc3+、Sb5+和Nb5+等离子的B位掺杂可以有效地抑制其相变, 稳定钙钛矿结构[ 13, 14, 15, 16, 17]。Ga3+(62 pm)的离子半径与Co3+(61 pm)的离子半径相当, 因此 Ga3+ 容易取代B位Co3+。Kharton等[ 18]采用Ga3+部分取代 La0.6Sr0.4CoO3- δ达到了降低热膨胀系数(TEC)的预期; Li等[ 19]利用第一原理平面波赝势的密度泛函理论计算结果表明SrGaO3- δ结构具有较低的氧离子迁移能,有利于提高氧离子电导率, 从而改善材料的电化学性能。
目前关于Ga3+取代的SrCoO3- δ氧化物用于中温固体氧化物燃料电池阴极材料的报道还不多。本工作采用EDTA-柠檬酸溶胶-凝胶法合成了Ga3+部分取代的钙钛矿型 SrCo1- xGa xO3- δ粉体材料,考察了其物化性质以及作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料的性能。
SrCo1- xGa xO3- δ粉体采用EDTA-柠檬酸联合络合法制备。将Co(NO3)2·6H2O、Ga(NO3)3·9H2O 和 Sr(NO3)3 (均为分析纯)按照化学计量比溶解到 NH3·H2O-EDTA 缓冲溶液中, 边搅拌边加入一定计量比的柠檬酸, 控制EDTA与柠檬酸、金属离子的摩尔比为1:2:1。滴加NH3·H2O调节并维持溶液呈中性, 于80℃的水浴中加热搅拌直到溶液变成紫红色的溶胶。然后将溶胶在 250℃下干燥炭化获得黑色的干凝胶, 把干凝胶研磨粉碎于1000℃焙烧2 h, 得到目标产物SrCo1- xGa xO3- δ粉体。
电解质材料Sm0.2Ce0.8O1.9(SDC)也采用 EDTA-柠檬酸联合络合法合成。
SrCo1- xGa xO3- δ粉体在50 MPa下加压成形, 于 1200℃烧结2 h得到20 mm×5 mm×3 mm 的条状样品, 用于电导率和热膨胀性能的测试。将适量的SrCo1- xGa xO3- δ粉体加入5% 乙基纤维素的松油醇乙醇溶液中, 放入到球磨机中(Fritsch, Pulverisettle 6) 球磨 2 h, 然后均匀地喷涂到烧结致密的有效面积为0.95 cm2的SDC电解质片的两面, 在空气氛围中 1000℃烧结2 h, 将稀释的银浆均匀地刷在阴极表面上用作电流收集体。为考察阴极材料与电解质的匹配性, 按 SrCo1- xGa xO3- δ粉体与 SDC质量比 1:1混合并在1000℃焙烧5 h后对混合物进行相结构分析。
合成粉体采用X射线衍射分析仪(XRD, D/max-2200, Rigaku)进行物相分析; 采用热膨胀仪(Netzsch DIL 402C/3/G)以Al2O3为参比在空气氛围中从室温到800℃测试材料的热膨胀性能; 采用直流四探针法测定材料的电导率; 采用扫描电镜(SEM, JSM-7401F)观察样品的微观结构; 采用X射线光电子能谱(XPS, PH1500C)研究样品的表面组成以及化学状态分析; 采用电化学阻抗谱(Zahner IM6eX) 测试材料的电化学性能, 测试频率范围为 1 MHz~0.5 Hz, 测试温度为500~700℃, 测试结果采用ZView软件进行拟合。采用数字源表(Keithley 2420)测定单电池的性能输出曲线。
为 在 1000℃下焙烧2 h后SrCo1- xGa xO3- δ( x=0、0.1、0.2、0.3、0.4)的XRD图谱。当 x=0 和 x=0.1 时, 样品显示六角晶结构, 但随着 Ga 的掺杂, 六角晶结构的衍射峰强度减小, 这表明 Ga 的掺杂能够有效地抑制在冷却过程中 SrCoO3-δ 结构的转变。 x大于 0.2 的样品均显示出具有单一的稳定的钙铁矿结构, 这与文献报道是一致的[ 20, 21]。
图 2为在 1000℃ 焙烧 5 h 后阴极材料 SrCo0.8Ga0.2O3- δ(SCG-2)与电解质 SDC 的混合物的 XRD 图谱, 图谱中没有发现其他峰出现, 这表明在该温度下阴极材料 SrCo0.8Ga0.2O3- δ与电解质 SDC 间没有发生反应, 两者具有良好的化学相容性。
图3为 SrCo1- xGa xO3- δ ( x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4) 样品中 Co2p 的 XPS 图谱。结合能为 780.2 eV 处的特征峰表明样品表面的 Co 主要以 Co3+ 存在。在结合能为786 eV 附近没有明显的特征峰, 这表明Co4+含量很少或者几乎没有[ 22]。纯的Co2O3和CoO中Co2p特征峰分别在结合能为 779.9和780.4 eV, Co3+和Co2+同时会存在导致扭曲的不对称特征峰。随着Ga含量的增加, 特征峰向高结合能方向移动, 说明样品中Co2+含量相应地增加。图4为O1s的XPS图谱。结合能为531.3和529.2 eV的特征峰分别对应于表面吸附的氧和晶格中的氧。吸附氧明显多于晶格氧说明样品的表面存在更多的氧吸附位, 这与文献报道是一致的[ 23, 24]。Ga含量的增加引起吸附氧比例显著减小, 导致氧催化活化性能降低。
图5为SrCo1- xGa xO3- δ ( x=0、0.1、0.2、0.3、0.4)在空气中测得的热膨胀曲线。可以看出, 在测试温度范围内SrCoO3- δ的热膨胀系数最小, 这是由于存在三种热膨胀性能不同的晶体形态[ 25]。Ga引入到晶格中, 400℃时曲线的斜率明显增大, 一方面是由于热诱导Co3+(54.5 pm)歧化生成了半径较大的Co2+(65 pm)和半径相当的Co4+ (53 pm)[ 26], 另一方面是由于晶格氧的流失引起的晶格中静电引力的减小和晶格变大, 两者共同作用导致热膨胀系数增 大[ 27]。SrCo0.9Ga0.1O3- δ的热膨胀系数较大, 这是由样品中相结构转变过程中产生的亚稳态结构引起 的[ 15], 与XRD图谱结果是一致的。但随着Ga含量的增加, 热膨胀系数减小, 这是因为Co含量的下降引起的其价态变化对热膨胀影响的削弱。不同温度范围内的热膨胀系数如表1所示。
图6为 SrCo1- xGa xO3- δ ( x=0、0.1、0.2、0.3、0.4) 在空气中电导率随温度变化的曲线。SrCoO3- δ的电导率随温度变化不明显, 表现出半导体的特征。氧离子的传导是通过空穴的跃迁来实现的, 然而电子的传导依靠双交换机制, 对 ABO3- δ 型钙钛矿结构而言, 电子沿着 B n+-O2--B( n+1)+ 网络结构传导, B-O-B 键角越接近 180o, B位元素的 3d 轨道和 O 的 2p 轨道的交叠程度就越大, 越有利于电子电导的提高。考虑到 Ga3+价态不变, 电子电导只能通过 Co 的 3d 轨道和O的2p轨道重叠来实现。掺杂 Ga 增加了SrCoO3- δ稳定性, 有利于Co的3d轨道和O的2p的交叠因而电导率显著增大; 但是 Ga 含量的增加, 不导电的Ga-O键的增多阻碍了电子传导, 因而导致电导率下降[ 27, 28, 29]。
电化学阻抗谱(EIS)是一种表征阴极性能的常用手段。图 7 为 600℃ 时 SrCo1- xGa xO3- δ ( x=0、 0.1、0.2、0.3、0.4) 的 EIS 图谱。曲线在实轴上的截距的差值代表阴极材料的极化面电阻 Rp, 其大小与氧的吸附解离和氧离子的转移有关。从图 8 及表2可以看出, 随着操作温度的升高, 极化电阻显著下降。SrCo0.8Ga0.2O3- δ显示出最小的极化电阻以及最小的活化能为124 kJ/mol。SrCoO3- δ本身微弱的氧离子与电子的混合电导率, 导致其 Rp较大[ 30]; 由于 Ga3+(62 pm)的离子半径大于Co3+(54.5 pm)的离子半径, Ga-O的键长大于Co-O的键长, 正是这种价键的差异引起了晶格中Ga3+对氧离子的束缚能力要低于Co3+, 氧离子易于从晶格中逃逸而形成氧空穴, 在以Ga3+为中心的局部范围出现了晶格的扭曲和区域缺陷, 晶格的有序性受到破坏使局部变得无序, 形成了一定量的包含Ga3+、Co3+、Co2+及氧空穴的缺陷簇群。另一方面, 在晶格中的 Ga 对 Co 的取代的任意性, 因而在晶体结构中形成了许多的缺陷簇群, 破坏了钙铁矿结构的长程有序性, 产生的无序微区域促进了氧离子的迁移, 降低了极化电阻[ 31]。但是, 随着Ga含量的进一步增加, Ga-O-Ga键的增多阻碍了电子传导, 因而极化电阻增大。
为了进一步研究电极上的反应过程动力学, 选择极化电阻较小的 SrCo0.8Ga0.2O3- δ 为代表, 以其为阴极的对称电池的 SEM 照片见图 9。由图9可以看出, 电解质烧结致密, 阴极呈现出的多孔状结构有利于气体的扩散, 与电解质接触良好。图 10 为600℃时不同氧分压条件下的 SrCo0.8Ga0.2O3- δ阻抗谱, 从图中可以看出, 随着氧分压的下降, 极化电阻逐渐增大。对谱图采用 LR0( C1 R1)( C2 R2)等效电路拟合, 其中 L为电路中导线引起的电阻, R0为电解质及电极的欧姆电阻; R1为高频段极化电阻, 对应氧还原过程中电荷转移电阻; R2为低频段极化电阻, 对应氧在电极表面上的扩散电阻, C1, C2为常相位元件。电极的极化面电阻 Rp为 R1与 R2之和, 其与氧分压的关系可以采用下式进行描述:
n=1/2, O2,ads ↔ 2Oads (氧在电极表面上的扩散, 吸附和解离); n=1/4, O2,ads + 2e + Vo” ↔ 2OoX (电荷转移)
图11显示的是 R1、 R2与氧分压的对数关系。两直线的斜率分别为0.22和0.54, 这表明在600℃时此过程包含氧在电极表面上的扩散、吸附和解离以及伴随的电荷转移两个过程。 R1比 R2大说明电荷转移过程是整个氧还原过程的速率控制步骤。这与早期报道的SrCo0.8Sc0.2O3- δ的性质相似[ 13]。
图12显示的是以 SrCo0.8Ga0.2O3-δ为阴极, 阳极NiO支撑的单电池在550~650℃范围内的性能。以氢气为燃料, 空气为氧化剂时, 电池在650℃下的开路电压为0.81 V, 电池的最高功率密度达 0.484 W/cm2。随着工作温度的降低, 虽然开路电压有所增大, 但是电池的极化电阻明显增大, 从而导致最大功率密度显著下降。
采用EDTA-柠檬酸联合络合法制备了钙铁矿结构的阴极材料SrCo1- xGa xO3- δ。随着 Ga 掺杂量的增加, 材料的热膨胀系数和电导率逐渐降低。其中, SrCo0.8Ga0.2O3- δ的面电阻最小, 600℃时为0.73 Ω•cm2, 以其为阴极材料的单电池在650℃时的最大输出功率达0.484 W/cm2。不变价的Ga部分取代Co会导致钙铁矿结构中氧的有序排列变成局部无序, 从而引起氧离子电导率的增加和极化电阻的降低。