我院科研人员在固体氧化物电池氧电极材料研究方面取得重要进展
2018-05-16 20:03:32

固体氧化物电池(SOC)作为一种能源转换及储存器件因其效率高、环境友好等优点近年来受到学术界和工业界的广泛关注。然而,SOC的商业化发展仍然面临许多关键问题,其中之一则是如何提升SOC氧电极的电化学催化性能及服役寿命。尽管当前已开发了种类繁多的氧电极材料,且多数材料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,多数具有高催化性能的氧电极材料含有大量的稀土元素,而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另一关键问题。

针对上述问题,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室李长久教授团队与美国西北大学Scott A. Barnett 教授团队进行合作研究,开发了一类新型SOC氧电极材料:Sr(Ti0.3Fe0.7-xCox)O3-δ (STFC)该氧电极材料不仅具有良好的电化学催化活性,而且具有优异的稳定性。在该工作中,研究人员通过B位Co掺杂改善Sr(Ti0.3Fe0.7)O3-δ 的性能,对该类材料的基本物理性能进行了系统的研究。通过FIB-SEM技术对多孔电极的微观结构进行了三维重组分析,并结合电化学性能及ICP测试技术研究了该类材料表面成分偏析现象;同时对电极材料的长期稳定性进行了深入研究。研究发现,少量Co掺杂,不仅可增加材料的电导率及氧空位浓度,同时可显著降低电极表面Sr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,且电极的稳定性则不受任何影响。而且通过在700 °C,电流密度为1 A/cm2下的长期运行考核测试,发现由该氧电极构筑的SOC无论工作在燃料电池还是电解池模式下,STFC氧电极均表现出优异的长期稳定性。此外,STFC氧电极材料仅含Sr、Fe、Ti及少量的Co,不含任何稀土元素,其成本远远低于当前其他氧电极材料。该项工作对SOC高性能氧电极材料的开发与设计以及推动SOC的商业化应用具有重要意义。

上述研究工作以“Cobalt-substituted SrTi0.3Fe0.7O3-δ: a stable high-performance oxygen electrode material for intermediate-temperature solid oxide electrochemical cells”为题发表在Energy & Environmental Science (IF=29.518)。李长久教授团队的青年教师张山林副教授为该论文第一作者,承担了本成果的主要研究工作。李长久教授与美国西北大学Scott A. Barnett 教授为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学青年基金与国家留学基金等项目的支持。


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http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee00449h#!divAbstract

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