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一些无钴和钴基钙钛矿结构中温固体氧化物燃料电池阴极材料的制备与性能研究

1.引言

1.1研究背景及意义

中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）作为一种高效的能量转换装置，因其工作温度低、污染小、燃料适应性强等优点，在能源、环境等领域受到广泛关注。钙钛矿型结构的阴极材料因其较高的电导率和稳定性，已成为IT-SOFC研究的热点。然而，传统的钴基钙钛矿材料存在钴资源匮乏、成本较高等问题。因此，研究无钴和钴基钙钛矿结构阴极材料的制备与性能，对于提高IT-SOFC的性能、降低成本、实现可持续发展具有重要意义。

1.2国内外研究现状

目前，国内外研究者已在无钴和钴基钙钛矿结构阴极材料方面取得了一定的研究成果。无钴钙钛矿阴极材料主要通过掺杂其他元素来提高其电化学性能，如锶、铁、锰等。而钴基钙钛矿阴极材料的研究则主要集中在对钴的替代或部分替代，如镍、铁等。然而，关于这两种材料在IT-SOFC中的性能对比研究尚不充分，有待进一步探讨。

1.3研究目标与内容

本研究旨在探讨无钴和钴基钙钛矿结构阴极材料的制备与性能，通过对材料制备方法、结构与形貌分析、电化学性能测试与评价等方面的研究，揭示两种材料在IT-SOFC中的应用潜力。同时，对比分析两种材料的性能、成本与资源状况，为后续研究提供理论依据和实验参考。

2无钴钙钛矿结构阴极材料的制备与性能研究

2.1材料制备方法

无钴钙钛矿结构阴极材料主要通过溶胶-凝胶法、共沉淀法和熔融盐法等进行制备。本研究采用溶胶-凝胶法，以硝酸铈、硝酸镧、硝酸锶等为原料，经混合、水解、缩合等步骤得到凝胶，再将凝胶进行干燥、研磨、煅烧等处理，最终得到无钴钙钛矿结构阴极材料。

2.2结构与形貌分析

利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等手段对制备的无钴钙钛矿结构阴极材料进行结构与形貌分析。结果显示，所制备的材料具有单一的钙钛矿结构，晶粒尺寸均匀，形貌呈立方体状，具有较高的结晶度和分散性。

2.3电化学性能测试与评价

通过交流阻抗谱（EIS）、循环伏安法（CV）和恒电流充放电测试等对无钴钙钛矿结构阴极材料的电化学性能进行评价。结果表明，该材料在中温固体氧化物燃料电池操作条件下，具有优异的氧还原反应（ORR）活性，较低的极化电阻和良好的稳定性，展现出潜在的应用价值。

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3钴基钙钛矿结构阴极材料的制备与性能研究

3.1材料制备方法

钴基钙钛矿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氧化钴、氧化锶、氧化镧等原料，加入柠檬酸作为螯合剂，在室温下搅拌至形成透明溶胶。随后，将溶胶放入烘箱中，以80℃的温度烘干，形成凝胶。将凝胶在马弗炉中缓慢升温至500℃，保温2小时，得到前驱体粉末。最后，将前驱体粉末在高温炉中加热至1000℃，保温4小时，得到钴基钙钛矿结构阴极材料。

3.2结构与形貌分析

利用X射线衍射（XRD）技术对钴基钙钛矿结构阴极材料进行物相分析，结果表明，样品具有单一的钙钛矿结构。通过扫描电子显微镜（SEM）观察样品的表面形貌，发现其具有规则的立方体形状，粒径分布均匀，有利于提高电解质的接触面积。

3.3电化学性能测试与评价

采用固体氧化物燃料电池（SOFC）测试系统对钴基钙钛矿结构阴极材料进行电化学性能测试。在650℃的中温条件下，测定了其极化曲线和功率密度曲线。结果显示，钴基钙钛矿结构阴极材料具有较高的电导率和较低的电极极化电阻，表现出良好的电化学性能。同时，在长时间运行过程中，该材料表现出较高的稳定性，为实际应用提供了可能。

4.无钴与钴基钙钛矿结构阴极材料的对比分析

4.1性能对比

在对比无钴与钴基钙钛矿结构阴极材料的性能时，可以从多个方面进行评估。首先，无钴钙钛矿结构阴极材料在电化学活性方面表现出较高的氧还原反应（ORR）活性，这主要得益于其独特的电子结构与形貌特征。在同等条件下，无钴钙钛矿的功率密度和电流密度均优于钴基钙钛矿材料。

另一方面，钴基钙钛矿结构阴极材料在稳定性方面具有优势。钴元素的存在可以提高材料的热稳定性和化学稳定性，从而在长期运行过程中保持较高的电性能。而无钴钙钛矿在高温下的稳定性相对较差，容易发生结构退化。

4.2成本与资源分析

从成本和资源的角度来看，无钴钙钛矿结构阴极材料具有明显优势。钴元素的市场价格相对较高，且资源分布不均，主要依赖于进口。而无钴材料可以降低原料成本，同时避免了对钴资源的依赖。

此外，无钴钙钛矿结构阴极材料的制备过程相对简单，有利于降低生产成本。然而，钴基钙钛矿在制备过程中需要严格控制钴含量和烧结温度，以确保其性能。

4.3应用前景分析

无钴与钴基钙钛矿结构阴极材料在中温固体氧化物燃料电池（SOFC）领域具有广泛的应用前景。无