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南京理工大学毕业设计(论文)开题报告学生姓名：张建国学号：1016120345专业：材料科学与工程设计(论文)题目：中低温SOFC阴极LnBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ的电化学性能研究指导教师:丁锡锋2014年3月20日开题报告填写要求1．开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册）；4．有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T7408—2005《数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法》规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。毕业设计（论文）开题报告1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文献综述摘要中低温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）的研究成为最近的热点，但其温度的下降导致其阴极材料产生一系列问题，据此本文研究了一种新型的阴极材料LnBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ（LBSCF，Ln=La，Sm，GD，Pr）。本文主要研究它的电化学性能，化学匹配度和稳定性等等。关键词固体氧化物燃料电池（SOFC）极化阻抗氧扩散能力功率密度引言随着工业的发展，能源需求与环境污染已然成为了当代不得不面对的问题，于是燃料电池应运而生。燃料电池是一种新型大规模、大功率、环境友好的电化学能力量转换装置i。作为第三代的燃料电池的固体氧化物燃料电池（SOFC），发电效率更高，燃料使用广，无电解质损耗等优点，是绿色能源的典型代表，具有很好的发展前景。iiiii本文将重点对一种新型阴极材料LnBSCF进行研究。SOFC电池面临的问题固体氧化物燃料电池的工作温度为600到1000℃，目前研究的重点就是如何通过电极材料、电解质材料和连接体材料的选择和性能改进达到提高电池性能，降低电池工作温度的目的iv。一般SOFC通常在高温下（850-1000℃）下运行，然而高温运行的结果就是电极烧结问题，电极与电解质界面扩散和反应问题，耐高温的双机连接体和电流集成器的合金材料问题，和耐高温的密封材料等。v克服这些问题的重要途径就是降低SOFC的工作温度。中温（600-800℃）固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）是世界研究的重点也是SOFC发展的大势所趋。SOFC温度的降低要解决以下两个问题：（1）在电解质膜的厚度高于5微米的情况下，尽可能降低其极化阻抗；（2）寻找与电解质材料相容的高性能阴极材料。有研究显示，在薄电解质的SOFC中，在500到800℃的范围内，阴极的界面电阻大约是整个电池总电阻的70%到85%。因此阴极材料的选择与性能的提高显得至关重要。在固体氧化物燃料电池中阴极发生氧还原反应，因此阴极处于高温氧气气氛中，这对阴极材料提出了很高的要求：电子电导率＞100S/cm，理论密度达到70%，孔隙率达到30%，与电解质有热膨胀性能的相容性，热和化学稳点型、高催化活性等。在SOCF中，阴极在限制电池性能方面起着重要作用。viIT-SOFC阴极材料的结构和理论改进方法目前IT-SOFC电极材料的主要研究方向为开发新型材料，发展现有材料的微结构，制备复合材料及梯度复合材料以及制备工艺的改进与优化。阴极材料的微结构和性能会影响SOFC的电运输性能，通过改变氧非化学计量数级缺陷因数来改进材料体系，可以提高材料的离子-电子混合电导率和阴极氧还原反应的催化活性。通过对阴极微结构的优化，可以扩大三相反应界面，扩大电化学反应区，提高电池性能。由于钙钛矿结构的复合氧化物具有特殊的性能，有利于阴极材料设计与优化，被视为最具应用前景的SOFC阴极材料。钙钛矿氧化物通常是ABO3结构，在晶胞中，A离子半径大，切占据顶点，与氧离子构成立方紧密堆积，B离子半径小初一氧离子构成的八面体共享角处。若采用低价和变价离子对A、B位本体离子进行部分或者全部取代，可以提高阴极材料电运输性能，改善阴极与电解质的热匹配和化学相容性。对于大多数SOFC钙钛矿阴极材料，通常采用稀土金属离子和碱金属离子取代A位，比如La、Pr、Nd、Sm、Sr、Ca、Ba等；采用可变价过渡金属离子取代B位，比如Mn、Fe、Co、Ni、Cu。故而阴极电化学反应中的电化学催化活性由B位金属离子决定。过渡金属的对称八面体结构在高位时，可以提高金属键或者半导体中价键键能，从而使电子电导率增加。合理选择A位和B位离子，能够在SOFC中引入大量稳定的氧离子，改善氧离子传导，提高阴极材料的离子导电率。几种先进的阴极材料其中，研究较广的阴极材料是La1-xSrxMnO3+δ(LSM),常常应用于高温SOFC，随着温度的下降，氧催化活性下降，阴极电阻的升高，即使采用LSM-YSZ电极也难以满足中低温下使用的要求。由此人们又开发了Ln1-xAxCo1-YMyO3+δ（Ln=La、Nd、Pr、Gd等；A=Ca、Sr、Ba；M为过渡金属元素），其中La1-xSrxCo1-yFeyO3（LSCF）备受关注。与LSM相比，LSCF的催化活性高，氧离子和电子电导率高。另一种混合阴极材料是BaxSr1-xCo0.8Fe0.2O3-δ（BSCF）有良好的催化活性一级较高的透氧性能,viiviii很适合作IT_SOFC的阴极材料,BSCF具有很低的面积阻抗，600℃是能达到0.05-0.08Ωcm2，但是它与电池其他部分的化学匹配能力不高，长期的稳定性也不好限制了它的发展。目前许多科研团队研究了分子式为AA’B2O5+δ具有层状钙钛矿结构的氧化物，因为这些氧化物的化学混乱度高，表面交换效率高。而且层状结构降低了A-O键的强度，使氧离子的扩散和表面交换率提高。LnBaCo2O5+δ（Ln=La，Pr,Gd,Nd,Sm）是具有高离子和电子混合电导率的层状钙钛矿结构的氧化物，它在低于500℃时仍然具有高的氧传输能力，所以它具有很好的氧还原反应能力。最近，Choietal.提出了一种崭新的阴极材料，PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ(PBSCF)。ix这种用Sr和Fe部分取代Ba和Co的方式，不仅提高了材料的导电能力，还提高了化学和热力学匹配能力。xxixiixiiixiv特别的，Fe替代Co提高了氧离子扩散，氧还原反应，和电极稳定性能，因为三维的金属-氧结合键能的增加和热扩散的减小。相应的最佳的共取代PBSCF，而不是用单个元素进行取代可能导致烧结影响阴极材料的电化学性能能和长期的热稳定性。数据显示：PBSCF在中温SOFC阴极的性能的确不错,PBSCF具有目前最低的ASR值500℃时0.33Ωcm2，600℃时约为0.056Ωcm2，这一数据比BSCF相同情形下还好（BSCF在500℃时为0.7Ωcm2）xv，选题目的、意义和本文研究内容IT-SOFC的工作温度的降低，材料间相容性的改善，稳定性也逐渐提高使得它越来越具有商业前景。LaBSCF阴极材料的性能很好，它与传统的阴极材料的不同之处就在于它能提供[LnO]和[CoO]键来提供高速氧通道，这极大提高了表面氧的扩散。但要运用于SOFC上还需要更加细致的研究。本文着重从La系元素的影响方面进行考虑，考察它与电解质的相容性和材料的电化学性能。参考文献[1]孙帆，郑勇，高小龙，等，固体氧化物燃料电池电解质和电极材料的研究进展[J]，金属功能材料，2010,17（4）：75-80[2]詹姆斯•拉米尼，安德鲁•迪克斯，燃料电池系统（朱红译，衣宝廉校）[M],北京：科学出版社，2006,5-190[3]Steel,B,C,H,&Heinzel,A,Materialsforfuel-celltechnologies,JNature,2001,414:345-352.[4]卢俊彪，张重大，唐子龙，固体氧化物燃料电池的研究进展[J],稀有金属材料与工程，2005,34（8）：1177-1180.[5]段枣树.新型阴极材料BSCF在IT-SOFC中的应用[J].2005.[6]朴金花,孙克宁,廖世军.钙钛矿型SOFC阴极材料的研究进展[J].电源技术,2009,33(8):725-729.[7]ShaoZP，YangWS，CongY，etal.InvestigationofthepermeationbehaviorandstabilityofaBa0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δoxygenmembrane,J.Membr.SCI.2000,172(1-2):177-188.[8]ShaoZP,XiongGX,TongJH,etal,BaeffectindopedSr(Co0.8Fe0.2)O3-δonthephasestructureandoxygenpermeationpropertiesofzhedenseceramicmenmbranes.SeparationandPurificationTechnology，2001,25（1-3）：419-429.[9]S.Choi,S.Yoo,J.Kim,S.Park,A.Jun,S.Sengodan,J.Y.Kim,J.Shin,H.Jeong,Y.Choi,M.LiuandG.Kim,Sci.Rep.,2013,3(2426),1–6.[10]A.R.Jun,J.Y.Kim,J.Y.ShinandG.Kim,Int.J.HydrogenEnergy,2012,37,I8381–I8388.[11]J.Y.Kim,W.Y.Seo,J.Y.Shin,M.LiuandG.Kim,J.Mater.Chem.A,2013,1,515–519.[12]H.DingandX.Xue,Electrochim.Acta,2010,55,3812–3816.[13]J.H.Kim,F.PradaandA.Manthiram,J.Electrochem.Soc.,2008,155,B1023–B1028.[14]S.H.Park,S.H.Choi,J.Y.Kim,J.Y.ShinandG.Kim,ElectrochemistryLetters,2012,1,F29–F32.[15]SihyukChoi1,SeonyoungYoo1,JiyounKim1,2,SeonhyePark1,AreumJun1,SivaprakashSengodan1,JunyoungKim1,JeeyoungShin3,HuYoungJeong4,YongManChoi5,GuntaeKim1&MeilinLiu1,6scientificreports，Highlyefficientandrobustcathodematerialsforlow-temperaturesolidoxidefuelcells:PrBa0.5Sr0.5Co2-xFexO5-δ，2013,3-4毕业设计（论文）开题报告２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：研究目的通过本课题的训练，使学生掌握无机粉体材料的合成方法和多孔阴极薄膜的制备方法，提高实验动手能力和分析问题、解决问题的能力。拟解决的关键问题：LBSCF粉体材料的合成方法和多孔阴极薄膜的制备方法研究方案本论文采取甘氨酸燃烧法制备阴极材料并在致密电解质基片上制备多孔阴极薄膜，研究阴极的热膨胀性能、电导率性能以及电化学性能。具体内容包括：超细粉体的制备（甘氨酸燃烧合成法实验过程：配料溶胶凝胶干燥前躯体煅烧研磨球磨复合阴极的制备（机械混合法）实验过程：在粉末中加入溶液研磨压制成型通过球磨工艺机械混合制备压条用于测热膨胀，电导率性能测试（热膨胀，电导率，交