Co掺杂La1.5Ca0.5NiO4+δ 阴极材料的电化学性能

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2024.02.005

摘要/Abstract

摘要：

采用溶胶凝胶法合成一种Ruddlesden?Popper(R?P)型富钴的新型层状钙钛矿型阴极材料La_1.5Ca_0.5Ni_0.2Co0.8O₄₊_δ (LCNC)，并进行了电化学性能测试。结果表明，LCNC在空气中400~800 ℃下的电导率为4~58 S/cm，优于多数SOFC阴极材料；在800 ℃下测得对称电池LCNC|LSGM|LCNC的极化阻抗为0.16 Ω·cm²，该电极基于300 μm厚La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-_δ (LSGM)支撑的单电池的最大功率密度为527 mW/cm²，且连续工作50 h后单电池性能仅略微衰减；LCNC是一种具有潜力的SOFC阴极材料。

关键词: 固体氧化物燃料电池, 电化学性能, 阴极, 电导率, 极化阻抗

Abstract:

A new type of Ruddlesden?Popper cobalt?rich layer perovskite oxide La_1.5Ca_0.5Ni_0.2Co_0.8O₄₊_δ (LCNC) was synthesized by a sol?gel process. The results show that the conductivity of LCNC in air at 400 ℃ to 800 ℃ is 4~58 S/cm, which is better than that of most reported SOFC cathode materials. The polarization impedance of symmetrical battery LCNC|LSGM|LCNC is 0.16 Ω·cm² at 800 ℃. The maximum power density of the single cell supported by 300 μm thick La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-_δ (LSGM) with the LCNC cathode was 527 mW/cm², and the performance of the single cell decreases slightly after working continuously for 50 hours. The experimental results show that LCNC is a potential SOFC cathode material.

Key words: Solid oxide fuel cell, Electrochemical performance, Cathode, Electrical conductivity, Polarization impedance

中图分类号:

TE662

蒋靖, 宋云峰, 马季, 张雷, 张磊磊, 宋昭远. Co掺杂La_1.5Ca_0.5NiO₄₊_δ 阴极材料的电化学性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2024, 44(2): 29-35.

Jing JIANG, Yunfeng SONG, Ji MA, Lei ZHANG, Leilei ZHANG, Zhaoyuan SONG. Electrochemical Properties of Co⁃Doped La_1.5Ca_0.5NiO₄₊_δ Cathode Materials[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2024, 44(2): 29-35.

图/表 9

图1 LCN和LCNC在1 150 ℃的空气中烧结7 h的XRD谱图

Fig.1 XRD patterns of LCN and LCNC sintered in air at 1 150 ℃ for 7 h

图2 LCN和LCNC在400~800 ℃空气中的电导率

Fig.2 The electrical conductivity of LCN and LCNC in air at 400~800 ℃

图3 对称电池在600~800 oC空气中的EIS

Fig.3 Symmetrical battery EIS in air at 600~800 oC

图4 对称电池在600~800 ℃空气中的极化阻抗

Fig.4 Polarization impedance of symmetrical battery in air at 600~800 ℃

图5 LCNC在600~800 ℃空气中阻抗谱拟合的DRT曲线

Fig.5 DRT curve of LCNC impedance spectrum fitting in air at 600~800 ℃

图6 单电池在600~800 ℃温度下的I?V和I?P曲线

Fig.6 I?V and I?P curves of single cell at 600~800 ℃

图7 单电池在600~800 ℃温度下的功率密度

Fig.7 Power density of single cell at 600~800 ℃

图8 测试后LCNC阴极和LCN阴极的SEM图（a） LCNC （b） LCN

Fig.8 SEM diagram of LCNC cathode and LCN cathode after testing

图9 空气气氛下LCN阴极和LCNC阴极单电池在700 ℃下的短期稳定性

Fig.9 Short?term stability of LCN cathode and LCNC cathode single cells at 700 ℃ in air atmosphere

参考文献 37

1	张磊磊，常莹，黄金华，等. 中温SOFC复合阴极材料BSCN0.6⁃30%GDC的表征［J］. 辽宁石油化工大学学报， 2014， 34（2）： 4⁃8.
	ZHANG L L， CHANG Y， HUANG J H， et al. Investigation of BSCN0.6⁃30%GDC composite gathode for IT⁃SOFC［J］. Journal of Liaoning Shihua University， 2014， 34（2）： 4⁃8.
2	XU X， BI L， ZHAO X S. Highly⁃conductive proton⁃conducting electrolyte membranes with a low sintering temperature for solid oxide fuel cells［J］. Journal of Membrane Science， 2018， 558： 17⁃25.
3	陈茜，金莹，马季，等. 无钴铁基层状钙钛矿材料作SOFC阴极的研究［J］. 石油化工高等学校学报， 2023， 36（4）： 69⁃74.
	CHEN Q， JIN Y， MA J， et al. Study on cobalt free iron base like perovskite as cathode of SOFC［J］. Journal of Petrochemical Universities， 2023， 36（4）： 69⁃74.
4	LIU W Y， KOU H N， WANG X F， et al. Improving the performance of the Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3- δ cathode for proton⁃conducting SOFCs by microwave sintering［J］. Ceramics International， 2019， 45（16）： 20994⁃20998.
5	DAN X， WANG C， XU X， et al. Improving the sinterability of CeO₂ by using plane⁃selective nanocubes［J］. Journal of the European Ceramic Society， 2019， 39（14）： 4429⁃4434.
6	迟克彬，李方伟，李影辉，等. 固体氧化物燃料电池研究进展［J］. 天然气化工， 2002，27（4）： 37⁃44.
	CHI K B， LI F W， LI Y H， et al. Research progress of solid oxide fuel cells［J］. Natural Gas Chemical Industry， 2002， 27（4）： 37⁃44.
7	郭土. 固体氧化物燃料电池电解质材料的研究进展［J］. 当代化工， 2023， 52（10）： 2445⁃2448.
	GUO T. Research progress in electrolytes of solid oxide fuel cells［J］. Contemporary Chemical Industry， 2023， 52（10）： 2445⁃2448.
8	WEI M R， LI H Z， CHEN X Y， et al. First⁃principles study of interfacial effects toward oxygen reduction reaction of palladium/La_1- xSrxCo_1- yFeyO_3- δ cathodes in solid oxide fuel cells［J］. Applied Surface Science， 2021， 562： 150218.
9	HU B X， KRISHNAN S， LIANG C Y， et al. Experimental and thermodynamic evaluation of La_1- xSrxMnO_3± δ and La_1- xSrxCo_1- yFeyO_3- δ cathodes in Cr⁃containing humidified air［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2017， 42（15）： 10208⁃10216.
10	ZHANG H Z， CONG Y， YANG W S. Effect of CO₂ treatment on the performance of Sm_0.5Sr_0.5CoO_3- δ cathode electrocatalyst［J］. Chinese Journal of Catalysis， 2008， 29（1）： 7⁃9.
11	CHEN J， YANG X， WAN D J， et al. Novel structured Sm_0.5Sr_0.5CoO_3- δ cathode for intermediate and low temperature solid oxide fuel cells［J］. Electrochimica Acta， 2020， 341： 136031.
12	HWANG C S， TSAI C H， CHANG C L， et al. High power plasma sprayed intermediate temperature solid oxide fuel cells with Sm_0.5Sr_0.5CoO_3- δ cathode［J］. Procedia Engineering， 2012， 36： 81⁃87.
13	LIN Y， RAN R， ZHENG Y， et al. Evaluation of Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3- δ as a potential cathode for an anode⁃supported proton⁃conducting solid⁃oxide fuel cell［J］. Journal of Power Sources， 2008， 180（1）： 15⁃22.
14	BELLO I T， YU N， ZHAI S， et al. Effect of engineered lattice contraction and expansion on the performance and CO₂ tolerance of Ba_0.5Sr_0.5Co_0.7Fe_0.3O_3- δ functional material for intermediate temperature solid oxide fuel cells［J］. Ceramics International， 2022， 48（15）： 21416⁃21427.
15	CHEN C H， CHANG C L， HWANG B H. Electrochemical and microstructure characteristics of Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3- δ （BSCF） cathodes prepared by citrate precursor method for SOFCs［J］. Materials Chemistry and Physics， 2009， 115（1）： 478⁃482.
16	梁皓，尹泽群，张喜文，等. 化学链燃烧反应中LaFe_1- xCoxO₃载氧体的性能研究［J］. 石油炼制与化工， 2013， 44（6）： 12⁃16.
	LIANG H， YIN Z Q， ZHANG X W， et al. Performance study of LaFe_1- xCoxO₃ as oxygen carriers in chemical⁃looping combustion reaction［J］. Petroleum Processing and Petrochemicals， 2013， 44（6）： 12⁃16.
17	DING D， LI X X， LAI S Y， et al. Enhancing SOFC cathode performance by surface modification through infiltration［J］. Energy & Environmental Science， 2014， 7（2）： 552⁃575.
18	JIN C， LIU J. Preparation of Ba_1.2Sr_0.8CoO₄₊ δ K₂NiF₄⁃type structure oxide and cathodic behavioral of Ba_1.2Sr_0.8CoO₄₊ δ⁃GDC composite cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cells［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2009， 474（1/2）： 573⁃577.
19	LEE Y， KIM H. Electrochemical performance of La₂NiO₄₊ δ cathode for intermediate⁃temperature solid oxide fuel cells［J］. Ceramics International， 2015， 41（4）： 5984⁃5991.
20	BOEHM E， BASSAT J M， DORDOR P， et al. Oxygen diffusion and transport properties in non⁃stoichiometric Ln_2- xNiO₄₊ δ oxides［J］. Solid State Ionics， 2005， 176（37/38）： 2717⁃2725.
21	TARANCÓN A， BURRIEL M， SANTISO J， et al. Advances in layered oxide cathodes for intermediate temperature solid oxide fuel cells［J］. Journal of Materials Chemistry， 2010， 20（19）： 3799⁃3813.
22	KHARTON V V， KOVALEVSKY A V， AVDEEV M， et al. Chemically induced expansion of La₂NiO₄₊ δ⁃based materials［J］. Chemistry of Materials， 2007， 19（8）： 2027⁃2033.
23	GU C Y， WU X S， CAO J F， et al. High performance Ca⁃containing La_2- xCaxNiO₄₊ δ（0≤x≤0.75） cathode for proton⁃conducting solid oxide fuel cells［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2020， 45（43）： 23422⁃23432.
24	CHEN Z Z， WANG J L， HUAN D M， et al. Tailoring the activity via cobalt doping of a two⁃layer Ruddlesden⁃Popper phase cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cells［J］. Journal of Power Sources， 2017， 371： 41⁃47.
25	LIM C， SENGODAN S， JEONG D， et al. Investigation of the Fe doping effect on the B⁃site of the layered perovskite PrBa_0.8Ca_0.2Co₂O₅₊ δ for a promising cathode material of the intermediate⁃temperature solid oxide fuel cells［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2019， 44（2）： 1088⁃1095.
26	AL‐SHAHRANI A， AL‐HAJRY A， EL‐DESOKY M M. Non⁃adiabatic small polaron hopping conduction in sodium borate tungstate glasses［J］. Physica Status Solidi （A）， 2003， 200（2）： 378⁃387.
27	CONG L G， HE T M， JI Y， et al. Synthesis and characterization of IT⁃electrolyte with perovskite structure La_0.8Sr_0.2Ga_0.85Mg_0.15O_3- δ by glycine–nitrate combustion method［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2003， 348（1/2）： 325⁃331.
28	SOLTANI N， ARCOS L H， BAHRAMI A， et al. Structural changes in NiO⁃Ce_0.8Sm_0.2O_2- x anode under reducing atmosphere［J］. Materials Characterization， 2019， 150： 8⁃12.
29	SKINNER S J， KILNER J A. Oxygen diffusion and surface exchange in La_2- xSrxNiO₄₊ δ［J］. Solid State Ionics， 2000， 135（1/4）： 709⁃712.
30	ZENER C. Interaction between the d shells in the transition metals［J］. Physical Review， 1951， 81（3）： 440⁃444.
31	ZHOU J， CHEN Y， CHEN G， et al. Evaluation of LaxSr_2- xFeO₄ layered perovskite as potential electrode materials for symmetrical solid oxide fuel cells［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2015， 647： 778⁃783.
32	SHEN Y N， ZHAO H L， XU J C， et al. Effect of Ionic size of dopants on the lattice structure， electrical and electrochemical properties of La_2- xMxNiO₄₊ δ （M=Ba， Sr） cathode materials［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2014， 39（2）： 1023⁃1029.
33	AGUADERO A， ALONSO J A， ESCUDERO M J， et al. Evaluation of the La₂Ni_1- xCuxO₄₊ δ system as SOFC cathode material with 8YSZ and LSGM as electrolytes［J］. Solid State Ionics， 2008， 179（11/12）： 393⁃400.
34	ZHANG Y X， CHEN Y， CHEN F L. In⁃situ quantification of solid oxide fuel cell electrode microstructure by electrochemical impedance spectroscopy［J］. Journal of Power Sources， 2015， 277： 277⁃285.
35	HAN X， CHEN P P， WU M， et al. A redox⁃reversible perovskite electrode for CeO₂⁃and LaGaO₃⁃based symmetric solid oxide fuel cells［J］. Ceramics International， 2022，48（18）： 26440⁃26451.
36	CHEN Y， CHOI Y M， YOO S， et al. A highly efficient multi⁃phase catalyst dramatically enhances the rate of oxygen reduction［J］. Joule， 2018， 2（5）： 938⁃949.
37	ESCUDERO M J， FUERTE A， DAZA L. La₂NiO₄₊ δ potential cathode material on La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_2.85 electrolyte for intermediate temperature solid oxide fuel cell［J］. Journal of Power Sources， 2011， 196（17）： 7245⁃7250.

[1]	王立福, 卢汇嘉, 许航, 包鹏伟, 万一行, 荀瑞, 张重学, 王利娟. 溶胶⁃凝胶法合成钛酸锌锂负极材料[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2024, 44(1): 21-28.
[2]	苏晓刚, 宋昭远, 张磊磊. 双钙钛矿氧化物Ba₂Fe_1.3Mo_0.7O_6-_δ 作固体氧化物燃料电池阳极的研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2024, 44(1): 29-34.
[3]	杨淯夫, 李江馨, 王鹏程, 滕元魁, 金芳军. 钼酸盐基钙钛矿作为固体氧化物燃料电池阳极材料的研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2023, 43(1): 21-26.
[4]	王思瑶, 王岳. 交流干扰和阴保作用下辅助阳极电化学行为研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2020, 40(1): 59-64.
[5]	姚桂彬，蔡洪东，张磊磊，徐璟升，宋昭远. A位缺位双钙钛矿Sr1.85MgMoO6-δ阳极的电化学性能[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2019, 39(4): 28-33.
[6]	张磊磊,李闯,宋昭远,龙文,张雷. 抗积碳S OF C阳极材料的研究进展[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2015, 35(6): 6-11,19.
[7]	张磊磊,常莹,黄金华,宋昭远,付依丹,刘默. 中温S OF C复合阴极材料B S CN 0. 6 -3 0%GD C的表征[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2014, 34(2): 4-8.
[8]	张磊磊,李周,陈明明,贺天民. 新型中温SOFC阴极Ba0.6Sr0.4Co0.9Nb0.1O3灢毮的制备与性能研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2013, 33(2): 6-10.
[9]	王玉福，李　岩，马文鑫，索　绰，王　博，申龙涉. 热油管道阴极保护效果评价[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2012, 32(1): 62-65.

Co掺杂La_1.5Ca_0.5NiO₄₊_δ 阴极材料的电化学性能

Electrochemical Properties of Co⁃Doped La_1.5Ca_0.5NiO₄₊_δ Cathode Materials

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