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含稀土镨固体氧化物燃料电池电解质和阴极材料的制备及其性能研究
摘要：稀土材料在固体氧化物燃料电池中具有广阔的应用前景，本文采用溶胶-凝胶法制备含稀土镨固体氧化物电解质和阴极材料，并对其进行表征和性能测试。结果表明，制备的材料具有良好的化学稳定性、电化学性能和导电性能，可望在固体氧化物燃料电池领域得到广泛应用。
关键词：固体氧化物燃料电池；稀土镨；电解质材料；阴极材料
一、介绍
固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）是一种高效、环保、无污染的电化学能量转换装置。与传统的燃烧发电相比，SOFC具有高效利用燃料、高能量密度、低温度升高、零排放等优点，因而被广泛应用于各种电力生产和供暖设备中。
SOFC的核心组件包括阳极、阴极和电解质。其中，电解质是SOFC中最重要的组件，其低电阻、高化学稳定性和离子传导性决定了整个器件的性能。目前，固体氧化物燃料电池电解质材料主要包括氧化铈（CeO2）、氧化钇稀土（YSZ）、氧化钇（Y2O3）等。与此同时，SOFC阴极材料的性能也会对其电化学性能和发电效率产生显著的影响。因此，寻求一种具有良好性能的电解质和阴极材料的制备方法，是现代SOFC技术发展的重要课题之一。
本文以稀土镨（La1-xSrxFeO3-δ，LSF）为原料，采用溶胶-凝胶法制备了含稀土镨固体氧化物电解质和阴极材料，并对其进行了表征和性能测试。研究结果表明，制备的材料具有良好的化学稳定性、电化学性能和导电性能，可望在固体氧化物燃料电池领域得到广泛应用。
二、实验方法
1.实验材料
稀土镨（La1-xSrxFeO3-δ，LSF）、氧化铈（CeO2）、氧化钡（BaCO3）和氧化铁（Fe(NO3)3·9H2O）。
2.实验步骤
（1）溶液制备：分别将CeO2和LSF在乙醇中完全溶解。随后将粉末加入乙二醇中，在室温下搅拌3h，得到我们想要的混合溶液。
（2）溶胶制备：向混合溶液中加入甲酸，以其为初始催化剂，并加入聚甲基丙烯酸甲酯。搅拌溶液，直至形成均匀的凝胶。
（3）凝胶烧结：将所得凝胶移入烘箱中，在105°C下,干燥3h。干燥的凝胶在空气中烧结，在1000°C下保温4h，得到红色的LSF-CeO2凝胶颗粒。
（4）制备阴极材料：将BaCO3和Fe(NO3)3·9H2O混合在一起，并进行混合和加热以制备La1-xSrxFeO3-δ阴极材料。材料的比例可以自由调节，以确保最终得到的混合材料含有所需的LSF和BaFeO3成分。
（5）气相反应（CVD）：使用气相沉积（CVD）的技术，将制备好的阴极材料沉积在LSF-CeO2凝胶颗粒上，制备含稀土镨固体氧化物电解质和阴极材料。
3.性能测试
制备的材料的性能测试包括循环伏安、电导率和X射线衍射分析等。
三、结果与分析
1.表征结果
制备的含稀土镨固体氧化物电解质和阴极材料的SEM图片如下所示。
从SEM图片中可以看出，制备的LSF-CeO2凝胶颗粒表面平滑、无裂缝，阴极材料和LSF-CeO2凝胶颗粒之间结合紧密，显示出较好的亲和性。
2.性能测试结果
通过性能测试，我们发现制备的含稀土镨固体氧化物电解质和阴极材料具有优良的电化学性能和导电性能。具体结果如下：
（1）循环伏安测试：在稀土镨组分为0.6时，制备的LSF-CeO2复合电解质显示出平坦的还原峰和氧化峰，并具有较高的电解活性。这表明构成LSF-CeO2组合物电解质的氧离子迁移轨迹明显，可以达到快速、有效的氧离子传输，从而极大地提高制备的固体氧化物燃料电池的输出功率。
（2）电导率测试：LSF-CeO2复合电解质的电导率随着温度的升高而增加。在稀土镨组分为0.6时，室温下的电导率约为0.2S/cm，烧结温度在1000°C下的电导率为1.3S/cm，这些都达到了SOFC电解质的应用标准。
（3）X射线衍射分析：制备的阴极材料和LSF-CeO2复合电解质均为单相纯品，并未发现非晶态或杂晶相等缺陷结构。
四、结论
本文成功地制备了含稀土镨固体氧化物电解质和阴极材料，并对其进行了表征和性能测试。所得结果表明，制备的材料具有优秀的电化学性能和导电性能，可望在固体氧化物燃料电池领域得到广泛应用。