质子型固体氧化物燃料电池Ba_0.5Sr_0.5FeO_3-δ阴极材料的掺杂改性研究

摘要

质子型固体氧化物燃料电池凭借质子传输较低的活化能，在中低温环境下具有显著优势。然而，阴极缓慢的氧还原反应动力学是制约中低温固体氧化物燃料电池性能的关键因素。无Co的Ba_0.5Sr_0.5FeO_3-δ阴极材料，虽然展现出良好的混合导电性，但是较差的化学相容性和尚不理想的氧表面交换动力学限制了电池的输出性能。为了进一步提高阴极的电化学性能，本研究成功设计并合成了三种B位掺杂的阴极材料——Ba_0.5Sr_0.5Fe_0.9M_0.1O_3-δ（M=Ce、Zr、Y）。结果表明，不同的掺杂元素对Ba_0.5Sr_0.5FeO_3-δ基阴极的性能调控存在显著差异。Zr掺杂对材料氧表面交换系数的提升不明显，而Y掺杂会导致氧表面交换能力下降，Ce的掺杂能有效提升氧表面交换系数，在700℃下氧表面交换系数达到2.34×10^-4 cm·s^-1。因此，Ce掺杂的Ba_0.5Sr_0.5Fe_0.9Ce_0.1O_3-δ电池展现出最优性能，单电池的极化阻抗相比掺杂前降低了40%，在700℃下峰值功率达到0.70 W·cm^-2。同时，Ba_0.5Sr_0.5Fe_0.9Ce_0.1O_3-δ单电池在650℃下可稳定运行100 h，阴极与电解质界面结合良好。综上，Ce掺杂改性后的Ba_0.5Sr_0.5Fe_0.9Ce_0.1O_3-δ阴极具有优异的催化活性和运行稳定性，是极具应用前景的无Co型钙钛矿阴极材料。

关键词

固体氧化物燃料电池 / 元素掺杂 / 电化学性能 / Ba_0.5Sr_0.5FeO_3-δ