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LaNbO4增韧固体氧化物燃料电池阳极支撑体NiO-Y2O3稳定的ZrO2的研究
1引言
1.1研究背景及意义
固体氧化物燃料电池(SOFC)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,被广泛认为在未来能源领域具有巨大的应用潜力。然而,SOFC在运行过程中,由于温度变化和氧化还原反应导致的热应力与体积变化,其阳极材料易发生断裂,这限制了电池的稳定性和寿命。
阳极支撑型SOFC是当前研究的热点,其中,NiO-Y2O3稳定的ZrO2(简称NiO-YSZ)是常用的阳极材料。然而,该材料的脆性仍然是制约其应用的主要问题。因此,开发新型增韧材料以改善NiO-YSZ的韧性成为研究的关键。LaNbO4作为一种具有优异电导率和结构稳定性的材料,被认为是一种理想的增韧剂。本研究旨在探讨LaNbO4对NiO-YSZ阳极支撑体的增韧效果及其对SOFC性能的影响,以期为固体氧化物燃料电池的进一步发展提供理论依据和实验支持。
1.2国内外研究现状
目前,国内外学者对SOFC阳极材料的改性和增韧进行了大量研究。在增韧剂的选择上,已报道的包括掺杂稀土元素、引入玻璃相和复合材料等方法。在掺杂方面,如Gd、Sm等稀土元素的引入已被证实能够提高YSZ的韧性。而关于LaNbO4的研究,主要集中在电导率和结构稳定性方面,其在增韧NiO-YSZ方面的应用则相对较少。
国际上,如美国加州大学和德国马普所等研究机构,通过第一性原理计算和实验验证了LaNbO4等复合氧化物作为SOFC阳极材料的潜在价值。国内的研究主要集中在哈尔滨工业大学、清华大学等高校,他们在SOFC阳极材料的研究方面取得了显著成果,但关于LaNbO4增韧NiO-YSZ的研究尚处于起步阶段。
综上所述,虽然关于SOFC阳极材料的增韧研究已有一定基础,但LaNbO4在这方面的应用仍需深入探讨。本研究将针对这一问题进行系统研究,以期为NiO-YSZ阳极材料的优化提供新思路。
2LaNbO4的合成与表征
2.1LaNbO4的合成方法
LaNbO4的合成采用高温固相法,该方法具有较高的反应温度和较长的保温时间,有利于合成高纯度的LaNbO4。具体合成过程如下:
按照化学计量比称取La2O3和Nb2O5,放入玛瑙研钵中,加入适量的无水乙醇作为助磨剂,研磨2小时,使原料充分混合。
将研磨后的混合物放入烘箱中,80℃干燥12小时,以去除无水乙醇和吸附的水分。
将干燥后的混合物放入石墨模具中,在高温炉中进行预烧结,预烧结温度为1200℃,保温2小时。
预烧结后的样品进行再次研磨,然后进行正式烧结,烧结温度为1400℃,保温4小时。
烧结后的样品随炉冷却至室温,得到LaNbO4粉末。
2.2LaNbO4的表征技术
采用以下表征技术对合成的LaNbO4进行结构和性能分析:
X射线衍射(XRD):分析LaNbO4的晶体结构,确定其相纯度。
扫描电子显微镜(SEM):观察LaNbO4粉末的微观形貌,了解其粒度分布。
透射电子显微镜(TEM):进一步观察LaNbO4粉末的微观结构,确认其晶粒尺寸。
傅里叶变换红外光谱(FT-IR):分析LaNbO4的分子振动特性,了解其化学成分。
热重-差热分析(TG-DTA):研究LaNbO4的热稳定性,确定其热分解温度。
2.3LaNbO4的结构与性能分析
通过上述表征技术,对LaNbO4的结构和性能进行分析:
XRD结果表明,合成的LaNbO4具有单一的钙钛矿结构,无杂相。
SEM和TEM观察结果显示,LaNbO4粉末呈球形,粒度分布均匀,晶粒尺寸在100nm左右。
FT-IR光谱表明,LaNbO4分子中含有Nb-O和La-O振动峰,与其化学成分相符。
TG-DTA分析结果显示,LaNbO4具有较好的热稳定性,热分解温度在1000℃以上。
综合分析,合成的LaNbO4具有较高的相纯度、良好的热稳定性和适宜的粒度,有利于作为固体氧化物燃料电池阳极支撑体的增韧剂。
3.阳极支撑体NiO-Y2O3稳定的ZrO2的制备与性能
3.1制备方法与工艺
阳极支撑体的制备采用溶胶-凝胶法制备工艺。首先,以硝酸锆、硝酸镍和硝酸钇为原料,按照一定的摩尔比进行混合。采用柠檬酸作为螯合剂,乙二醇作为溶剂,通过调控pH值和温度,形成透明的溶胶。随后,在恒温和湿度条件下,使溶胶凝胶化,形成干凝胶。干凝胶经过干燥、研磨、过筛后,得到粉末状的NiO-Y2O3稳定的ZrO2前驱体。
接着,将前驱体粉末在高温下进行煅烧,以获得结晶良好的NiO-Y2O3稳定的ZrO2粉体。煅烧过程中,温度的控制至关重要,需在1000℃至1200℃之间进行,以保证粉体的纯度和结晶度。
3.2结构与性能分析
采用X射线衍射(XRD)技术对制备得到的NiO-Y2O3稳定的ZrO2粉体进行物相分析,确
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