固态氧化物电解池(SOECs)因较高的能量转化效率在电化学还原CO2, 实现“碳中和”社会方面备受关注。与非对称电池结构相比, 对称SOECs的空气极和燃料极是相同或相近的材料, 可以减少界面种类, 改善电极与电解质的热膨胀匹配性, 简化电池的制备工艺。本研究合成了钙钛矿氧化物LaxSr2-xFe1.5Ni0.1Mo0.4O6-δ (LxSFNM, x=0.1、0.2、0.3、0.4), 作为固体氧化物电解池的对称电极用于评估纯CO2的电化学还原性能。掺入La3+可以有效提高反应催化活性, 其中L0.3SFNM为电极的电解池表现出最高的电化学性能, 800 ℃下, 在空气中的极化电阻为0.07 Ω?cm2, 在50% CO-50% CO2中的极化电阻为0.62 Ω?cm2。单电池L0.3SFNM@LSGM|LSGM|L0.3SFNM@LSGM在800 ℃和1.5 V电压下的电解电流密度为1.17 A?cm-2, 在初始的50 h CO2短期电解测试中表现出优异的稳定性, 是一种理想的对称电极材料。
对称固体氧化物电解池 钙钛矿结构 电极材料 symmetrical solid oxide electrolysis cells perovskite electrode materials
1 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 能量转换材料重点实验室, 上海 200050
2 中国科学院大学, 北京 100049
本研究利用固相反应法合成了一系列镧取代LaxSr2-3x/2Fe1.5Ni0.1Mo0.4O6-δ (LaxSFNM, x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)钙钛矿陶瓷材料, 并研究其作为固体氧化物燃料电池阳极的电化学性能。X射线衍射(XRD)测试表明合成的粉末具有立方钙钛矿结构。在高温下利用氢气还原LaxSFNM样品, 发现其晶粒表面析出纳米尺度的Fe-Ni合金颗粒, 并且偏析纳米颗粒的密度随着La 3+掺杂量的增加而显著降低。在对称电池阻抗测试中, 随着La 3+掺杂量的增加, 阳极极化阻抗逐渐降低, 掺入量为0.3时阻抗达到最小值。La0.3SFNM对称电池在750 ℃下极化阻抗仅为0.16 W·cm 2, 进一步增加掺杂量时, La0.4SFNM对称电池极化阻抗增加至0.17 W·cm 2。La0.3SFNM材料良好的电极反应催化活性源于适当分布的Fe-Ni合金纳米偏析颗粒与LaxSFNM陶瓷基体的共同作用。利用流延法制备一系列以LaxSFNM为阳极、SmBa0.5Sr0.5Co2O6为阴极、LSGM为电解质的单电池, 使用氢气作为燃料时, La 3+掺杂量x=0.3的单电池表现出最高的功率密度, 在750、650和550 ℃时峰值功率密度可达1.26、0.90和0.52 W·cm -2。上述结果表明, La0.3Sr1.55Fe1.5Ni0.1Mo0.4O6-δ可以用作高性能SOFC阳极催化剂。
固体氧化物燃料电池 阳极材料 高温原位脱溶 Solid Oxide Fuel Cells anode materials in-situ exsolution
