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中温固体氧化物燃料电池Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ基核壳结构阴极的研究

1.引言

1.1固体氧化物燃料电池的背景及意义

固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCells,SOFCs）作为一种高效的能量转换装置，以其高能量转换效率、环境友好和燃料的多样性等优点，在能源、环保等领域备受关注。固体氧化物燃料电池能够直接将化学能转换为电能，具有燃料适用范围广、环境污染小、易于模块化设计等优点，对于缓解能源危机和减少环境污染具有重要意义。

1.2中温固体氧化物燃料电池的研究现状

近年来，中温固体氧化物燃料电池（IntermediateTemperatureSOFCs,IT-SOFCs）的研究取得了显著进展。与传统的低温和高温固体氧化物燃料电池相比，中温SOFCs在降低操作温度的同时，保持了较高的能量转换效率，这有利于减少热损失、提高材料的稳定性和降低系统成本。当前，研究者们主要关注如何进一步提高中温SOFCs的性能，降低成本，延长使用寿命。

1.3Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ基核壳结构阴极的研究目的及意义

本研究以Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ（简称BSCF）基核壳结构阴极材料为研究对象，旨在通过优化阴极材料的组成和结构，提高中温固体氧化物燃料电池的性能。BSCF基核壳结构阴极具有较好的电化学活性和稳定性，有望解决传统阴极材料在高温下性能衰减等问题。通过对BSCF基核壳结构阴极的深入研究，有望实现中温固体氧化物燃料电池性能的进一步提升，为其实际应用奠定基础。

2材料与方法

2.1核壳结构阴极材料的制备

核壳结构阴极材料采用溶胶-凝胶法制备。首先，按照化学计量比称取适量的BaCO3、SrCO3、Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O，以及柠檬酸和乙二醇作为有机添加剂。将这些原料溶解在去离子水中，通过磁力搅拌使之充分混合。随后，将混合溶液在80℃下加热并持续搅拌，直至形成透明溶胶。将溶胶转移到烘箱中，在120℃下烘干形成凝胶。最后，将凝胶在700℃下热处理得到Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ粉末。

核壳结构的制备采用层层自组装技术，首先将Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ粉末与去离子水混合，调整至适当粘度，然后通过滴涂法在预制的YSZ（氧化钇稳定的氧化锆）电解质基底上形成均匀的阴极层。

2.2材料的表征与性能测试

阴极材料的晶体结构通过X射线衍射（XRD）技术进行分析，以确保其具有所需的钙钛矿结构。形貌和尺寸通过扫描电子显微镜（SEM）进行观察。

电化学性能测试主要包括交流阻抗谱（EIS）和循环伏安法（CV）。EIS测试用于评估电极的界面电阻和电解质电阻，而CV测试则用于观察电极的反应过程和活性面积。

2.3中温固体氧化物燃料电池的组装与性能测试

采用丝网印刷技术将制备的核壳结构阴极材料印刷在YSZ电解质上，随后在750℃下烧结得到电极/电解质复合体。使用铂丝作为对电极，在650℃下组装成单电池。

单电池的性能通过测试其开路电压、最大功率密度、稳定性和耐久性来评估。这些测试通过电化学工作站进行，使用氢气作为燃料，空气作为氧化剂。通过改变电流密度和电压，记录不同工作条件下的电池性能数据。

3核壳结构阴极材料的结构与性能

3.1结构分析

Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ（BSCF）基核壳结构阴极采用溶胶-凝胶法制备，通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及X射线衍射（XRD）等技术对其微观结构进行了详细分析。结果表明，该核壳结构具有明显的分级多孔结构，壳层与核层间界面清晰，壳层厚度均匀，平均厚度约为200nm。XRD图谱显示，阴极材料具有单一的钙钛矿相结构，无杂相存在，表明该核壳结构具有较高的相纯度。

3.2电化学性能分析

采用循环伏安法（CV）、交流阻抗谱（EIS）以及极化曲线测试等手段对BSCF基核壳结构阴极的电化学性能进行了研究。CV曲线显示，该阴极材料在低电位区间具有较大的电流密度，表明其具有较好的氧还原反应（ORR）活性。EIS谱图表明，阴极材料的电荷传输电阻较小，电解质与电极之间的界面电阻也相对较低。极化曲线测试结果显示，在500℃至700℃的温度范围内，该核壳结构阴极的最大功率密度可达到500mW/cm2以上。

3.3力学性能分析

采用纳米压痕技术对BSCF基核壳结构阴极的力学性能进行了研究。结果表明，该阴极材料具有较高的硬度和弹性模量，能够满足固体氧化物燃料电池在实际应用中的力学稳定性要求。此外，核壳结构的设计提高了阴极材料的抗热震性能，有利于提高其在中温固体氧化物燃料电池中的使用寿命。

4.中温固体氧化物燃料电池性能分析

4.1开路电压与