【引言】
固体氧化物电池(SOC)是一类既可以将燃料高效清洁的转化为电能(固体氧化物燃料电池模式,SOFC),又可将电能通过高温电解的方式转化为化学能而存储(固体氧化物电解电池模式,SOEC)的装置。SOC因其高效而环保的优点受到广泛的关注及研究。然而,SOC的商业化发展仍然面临许多关键问题,其中之一则是解决氧电极的寿命及成本问题。根据当前SOC的商业化设计需求,SOC氧电极不仅需要在700 °C以下具有较好的电化学催化性能,且应具有优异的稳定性,从而保证大于40000小时的寿命设计需求。当前已开发了种类繁多的氧电极材料,虽具有优异的电化学性能,然而电极性能通常随运行时间的增加而不断衰减,难以满足SOC的寿命设计需求。同时,多数高性能氧电极材料含有大量的稀土元素,如何减少或避免稀土元素的使用而降低材料成本也是SOC氧电极材料开发所面临的关键问题。
【成果简介】
近日,西安交通大学李长久教授和美国西北大学的Scott A. Barnett教授 (共同通讯作者)等人在Energ. Environ. Sci.上发表了关于高稳定性SOC氧电极材料的文章,题为“Cobalt-substituted SrTi0.3Fe0.7 O3-δ: a stable high-performance oxygen electrode material for intermediate-temperature solid oxide electrochemical cells”。作者报道了一类SOC氧电极材料:Sr(Ti0.3Fe0.7-xCox)O3-δ (STFC)。STFC不仅具有良好的电化学催化性能,且具有优异的长期稳定性,同时,该类材料不含稀土元素,具有较低的成本。作者研究了Co掺杂量对电极催化性能的影响规律;发现少量Co的掺杂,可增加材料的电导率及氧空位浓度,同时显著降低电极表面SrO的偏析,改善电极的氧表面交换系数及氧扩散系数,从而显著提升电极的催化性能,而电极的稳定性则不受影响。700 °C,电流密度达到1 A/cm2时,无论在燃料电池还是在电解池模式下工作,STFC电极均表现出优异的长期稳定性。
【图文导读】
图1 STF和STFC的基本性能
(a) XRD图谱;
(b) 电导率;
(c) 氧非化学计量数;
(d) 热膨胀系数。
图2 丝网印刷制备的STFC电极微观结构分析
(a) 断面形貌;
(b) 断面二维组织结构;
(c) FIB-SEM三维结构重建成像;
(d)通过三维结构重建所得到的微观结构参数。
图3 EIS极化阻抗的Nyquist和Bode图
(a) 600℃;
(b) 700℃。
图4 电极的稳定性及与LSCF电极材料的对比
(a, c) 无电流;
(b, d) 1 A cm-2的直流电流。
图5 ICP及XPS表面分析
(a) ICP测试电极表面SrO析出的量;
(b) XPS测试所得Co掺杂量对电极表面A位与B位阳离子比例的影响规律。
图6 电化学性能分析
(a)燃料电池性能(3%H2O + 97%H2);
(b) 电解池性能(50%H2O + 50%H2)。
【小结】
本文介绍了一种新型的氧电极材料Sr(Ti0.3Fe0.7-xCox)O3-δ。作者通过B位Co的掺杂显著地提升了SrTi0.3Fe0.7 O3-δ材料的电导率及氧空位浓度,减少表面SrO的偏析,同时增加氧表面交换系数和氧扩散系数,从而显著降低电极极化阻抗。同时,该类氧电极材料具有优异的稳定性。研究结果表明,STFC作为SOC新型氧电极材料具有较高的应用潜力及商业化价值。
研究团队简介:
本文由西安交通大学李长久教授团队与美国西北大学Scott A. Barnett 教授团队合作共同发表。论文第一作者为李长久教授团队的青年教师张山林。李长久教授团队在固体氧化物电池材料、结构设计及成型制备领域开展了大量的研究工作,特别是在燃料电池热喷涂制备、大型管状电池设计与制备领域取得了系列研究成果。西北大学Scott A. Barnett 教授团队多年来一直从事固体氧化物电池的研究工作,在电池材料设计、电极微观结构的三维重组分析、电池寿命预测及衰减机理等领域开展了大量的开创性工作。该研究成果得到了国家自然科学基金及国家留学基金委项目的支持。
文献链接:Cobalt-substituted SrTi0.3Fe0.7O3-δ: a stable high-performance oxygen electrode material for intermediate-temperature solid oxide electrochemical cells (Energ. Environ. Sci., 09 May, 2018 , DOI: 10.1039/C8EE00449H)
