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中温固体氧化物燃料电池Ni基复合阳极材料的制备与性能研究

1.引言

1.1研究背景及意义

随着全球能源需求的不断增长和对环境保护意识的提升，开发高效、清洁的能源转换技术成为当务之急。燃料电池作为一种直接将化学能转化为电能的装置，因其高能量转换效率和低环境污染等特点受到广泛关注。其中，中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）因其较高的功率密度和较长的使用寿命等优点，被认为具有广阔的应用前景。

阳极材料作为IT-SOFC的关键组成部分，其性能直接影响整个电池的输出功率和稳定性。Ni基阳极材料因具有较高的电催化活性和较低的成本而成为研究的热点。然而，单一Ni基阳极材料在长期运行过程中易出现结构退化、性能衰减等问题。因此，本研究通过制备Ni基复合阳极材料，以提升其在中温固体氧化物燃料电池中的性能，具有重要的理论和实际意义。

1.2国内外研究现状

目前，国内外研究者已对Ni基复合阳极材料进行了广泛研究。在材料制备方面，研究者主要采用溶胶-凝胶法、共沉淀法、固态反应法等方法，并通过添加不同类型的助剂（如Co、Fe等）来改善阳极材料的电化学性能。在性能优化方面，研究者通过调控阳极材料的微观结构、组成和形貌等参数，以提高其在IT-SOFC中的稳定性。

尽管已取得了一定的研究成果，但目前关于Ni基复合阳极材料的制备与性能研究仍存在许多挑战，如合成过程中的关键参数优化、结构性能关系解析等。

1.3研究目的与内容

针对上述问题，本研究旨在通过制备不同组成的Ni基复合阳极材料，系统研究其制备方法、关键参数及优化策略。具体研究内容包括：

采用不同制备方法（如溶胶-凝胶法、共沉淀法等）制备Ni基复合阳极材料，并研究其微观结构和形貌。

探讨制备过程中的关键参数（如烧结温度、时间等）对阳极材料性能的影响。

通过结构表征和电化学性能测试，揭示Ni基复合阳极材料的性能优化策略。

对比不同阳极材料的性能，为实际应用提供理论依据和实验参考。

2.中温固体氧化物燃料电池概述

2.1中温固体氧化物燃料电池的工作原理

中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）是一种在中等温度范围内（约500-750℃）工作的燃料电池。其工作原理基于氧离子在电解质中的迁移和电子通过外部电路的传递。在IT-SOFC中，燃料（如氢气、甲烷等）在阳极发生氧化反应，释放出电子；氧气在阴极发生还原反应，吸收电子。这一过程产生的电能可以被收集利用。

具体来说，燃料在阳极处发生如下反应：

H

氧气在阴极与电子结合，发生如下反应：

O

氧离子在电解质中从阴极向阳极移动，与燃料中的电子结合，维持电荷平衡。

2.2中温固体氧化物燃料电池的关键材料

IT-SOFC的关键材料主要包括电解质、阳极、阴极和互连材料。

电解质：通常采用具有较高离子导电率的氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）或氧化铈稳定的氧化锆（CSZ）等材料。

阳极：阳极材料需具备良好的催化性能、足够的电子导电率和化学稳定性。Ni基复合阳极材料因其良好的综合性能成为研究热点。

阴极：阴极通常采用具有较高电化学活性的材料，如LaMnO3、LaCoO3等。

互连材料：常用的互连材料有氧化铝、氧化钴等。

2.3中温固体氧化物燃料电池的优势与挑战

中温固体氧化物燃料电池具有以下优势：

温度较低，有利于降低热应力、延长材料寿命。

可采用更便宜的材料制备，降低成本。

适用于多种燃料，如天然气、生物质气等。

然而，IT-SOFC也面临以下挑战：

低温下电解质的离子导电率相对较低，影响电池性能。

阳极、阴极材料在长时间工作过程中可能发生结构、化学稳定性变化，导致电池性能衰减。

高温下，电池材料与燃料、氧化剂的兼容性也是一个需要考虑的问题。

3Ni基复合阳极材料的制备

3.1制备方法

Ni基复合阳极材料的制备主要采用以下几种常见的方法：溶胶-凝胶法、共沉淀法、熔融盐法、以及放电等离子体烧结技术。

溶胶-凝胶法是一种湿化学合成方法，通过将金属盐溶解在有机溶剂中，经过水解、缩合形成溶胶，最终形成凝胶。此法制备过程温度低，组成易于控制，有利于合成均一的多相复合阳极材料。

共沉淀法是在溶液中同时沉淀多种金属离子，形成均匀的混合氢氧化物或碳酸盐沉淀，再经过热处理得到复合氧化物。该方法操作简单，成本较低，适合大规模生产。

熔融盐法是将金属盐混合物在高温下熔融，随后快速冷却，以获得具有均匀微观结构的复合阳极材料。此法有利于提升材料电导率，但需要高温设备。

放电等离子体烧结技术（SPS）是一种新颖的快速烧结技术，通过脉冲电流产生的等离子体活化材料，实现高效、快速的烧结过程，所得材料具有细小的晶粒尺寸和良好的电性能。

3.2制备过程中的关键参数

在制备Ni基复合阳极材料的过程中，关键参数包括原料的选择、摩尔比、pH值、烧结温度、烧结时间以及冷却速率等。

原料选择：选择高纯度