Ln0.3Sr0.7Fe0.7Cr0.3O3-δ (Ln=La, Pr, Nd, Sm)阴极材料的导电性能与热膨胀性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cells,sofcs)是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的新型能源转换装置，主要由电解质(electrolyte)、阳极或燃料极(anode，fuel electrode)、阴极或空气极(cathode，air electrode)、连接体(interconnect)或双极板(bipolar separator)等部分组成，具有燃料适应性广、能量转换效率高、全固态、模块化组装、运行无污染等优点，在固定电站（例如大型集中供电、中型分电和小型家用热电联供等）、移动电源（例如船舶动力电源、交通车辆动力电源等）方面都有广阔的应用前景^[1,2,3,4]。

当前以y₂o₃稳定的zro₂（ysz）为电解质、以la_1-xsr_xmno_3-δ（lsm）为阴极的高温型sofc是研究最为充分和发展较为成熟sofcs技术。但高温型sofcs的工作温度高（900 ℃-1000 ℃），带来一系列的技术和经济问题，例如电池堆的密封困难、运行稳定性降低、工作寿命短、运行成本高等，限制了sofcs技术的商业化应用。将运行温度降低到中温范围（600 ℃-800 ℃）是sofcs技术的一个重要的发展方向。降低sofcs的运行温度，有利于降低电池系统的制造成本和运行费用，减缓由于电极和电解质成分的界面扩散和阳极烧结而引起的电池工作性能衰退，提高电池系统的使用寿命。然而，随着运行温度的降低，sofcs阴极的电催化性能急剧退化，导致整个sofcs系统的工作性能降低^[5]。所以，高性能的阴极材料对于中温sofcs (it-sofcs,intermediate temperature solid oxide fuel cells，工作温度600-800℃)技术的发展具有重要的作用。

la_1-xsr_xco_1-yfe_yo_3-δ（lscf）体系混合导体是it-sofcs阴极最具代表性的候选材料^[6,7]。lscf体系材料在中温范围内具有优异的导电性能、良好的氧扩散性能和氧表面交换性能，因而在中温下显示出良好的对氧还原的电催化活性。但是，该体系材料的热膨胀系数（tec）过高（15-26×10^-6 k^-1），不能与ce_0.8sm_0.2o_1.9（sdc, tec~12.5×10^-6 k^-1）、la_0.9sr_0.1ga_0.8mn_0.2o_3-δ（lsgm, tec~11.0×10^-6 k^-1）等中温sofc的电解质材料相匹配。此外，lscf体系在sofcs阴极的实际工作状态下的化学稳定性不高。这些缺点都不利于以lsfc为阴极的sofcs的长期工作稳定性。研究发现，以la_1-xsr_xco_1-yfe_yo_3-δ为代表的co基钙钛矿材料（还包括sm_0.5sr_0.5coo_3-δ, ba_0.5sr_0.5co_0.8fe_0.2o_3-δ等）表现出优良的离子和电子导电性^[8]，但含co氧化物在作为sofcs阴极时，会带来热膨胀系数过高，结构稳定性差等问题，因此有待探索不含co的it-sofcs阴极材料^[9,10]。

2. 研究的基本内容与方案

（一）基本内容

（1）合成与制备研究

采用甘氨酸-硝酸盐(gnp)法合成ln_0.3sr_0.7fe_0.7cr_0.3o_3-δ(ln= la, pr, nd, sm)体系超微细粉体；采用固相烧结法制备出致密的陶瓷样品；采用尿素-硝酸盐低温共燃烧法合成sdc(ce_0.8sm_0.2o_1.9)超微细粉体,研究与体系的高温化学相容性。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需粉体的制备方法以及电导率和热膨胀性能测试技术。确定研究方案，完成开题报告。

第4－6周：样品的合成与制备。分别采用甘氨酸-硝酸盐法合成ln_0.3sr_0.7fe_0.7cr_0.3o_3-δ(ln= la, pr, nd, sm)体系粉体和尿素-硝酸盐低温共燃烧法合成ce_0.8sm_0.2o_1.9粉体，制备出致密的陶瓷。

第7－13周：性能测试及数据处理。对陶瓷进行xrd物相分析、sem显微分析，利用直流四探针法研究ln_0.3sr_0.7fe_0.7cr_0.3o_3-δ(ln= la, pr, nd, sm)陶瓷的导电性能，采用热膨胀仪测试ln_0.3sr_0.7fe_0.7cr_0.3o_3-δ(ln=la,pr,nd,sm)陶瓷的热膨胀性能，分析陶瓷样品的组成、结构与性能之间的相关性。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 刘江，吕喆，刘巍等．固体氧化物燃料电池的工艺探索及相关的性能研究[j].中国科学（Ａ辑）,1997，27(10)：930-935．

[2] 路甬祥．燃料电池的研究发现现状及其发展趋势[j]．自然杂志,1997，19(3)：125-134．

[3] 韩敏芳，彭苏萍．固体氧化物燃料电池材料及制备，科学出版社[m]．2003，1-24．