结构和电化学性能的硅酸镧磷灰石₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ固体氧化物燃料电池(sofc)

文摘

一个优秀的氧化物离子电导率高硅酸镧磷灰石的氧气运输固体氧化物燃料电池(SOFC)可以通过固态反应法。掺杂的拉₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)完成材料烧结在1600°C结晶度和apatite-type的晶体结构。的结构和电化学特征₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)被处死使用x射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM),能量色散x射线能谱(EDX)和电化学阻抗谱(EIS)测量。洛杉矶的总氧化物离子导率₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)测量从低到中间操作温度范围(450到800°C)使用电化学阻抗谱。室温下拉的x射线衍射模式₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)洛杉矶展出₁₀如果₆O₂₇磷灰石相空间群P6₃/ m作为主要阶段小拉的出现₂SiO₅作为一个不洁的阶段。3.24×10的最高总氧化物离子电导率⁻³供应链管理⁻¹和相应的活化能均获得0.30 eV在800°C₁₀如果_5.6艾尔_0.2锌_0.2O_26.7含有低浓度的艾尔^{3 +}掺杂剂。

1。介绍

固体氧化物燃料电池(sofc)现在特别流行每个人都为发电生产可再生和清洁能源设备(1,2]。固体氧化物燃料电池提供承诺的特性,如高性能、环保清洁发电、和多才多艺的燃料灵活性(氢、碳氢化合物如甲烷或天然气(3- - - - - -8),作为可再生能源系统9]。固体氧化物燃料电池的一个最广泛使用的燃料是合成气,生产的生物质热化学转换的(10- - - - - -13]。电化学装置是由致密的固体氧化物电解质位于两个多孔电极(14- - - - - -18]。许多研究人员已经开发出新的电解质提供稳定和高氧化离子或质子导电率低到中度操作温度(400到700°C) (19- - - - - -23]。固体氧化物燃料电池显示有益的特点在这些温度,如各种各样的材料,延长寿命和可靠性,成本低。Proton-conducting电解质正在试图替代yttria-stabilized氧化锆(YSZ) [24- - - - - -27]。最近与固体氧化物电解质的离子电导率相对于其他类型的材料硅酸镧磷灰石(La₁₀如果₆O₂₇)[27- - - - - -31日]。洛杉矶的电导率₁₀如果₆O₂₇提供氧气传递数字团结在一个附近的氧气分压范围广和稳定的电化学性能在不同气体原料(32- - - - - -36]。影响的关键挑战硅酸镧材料的稳定性和电化学效率低sinterability和二次拉的形成₂SiO₅阶段(37- - - - - -39]。

研究在不同的掺杂物,可以提高氧化离子导电性和洛杉矶的间质氧化物离子浓度₁₀如果₆O₂₇进行了(40- - - - - -42]。研究表明,掺杂离子在Si-site整体氧化物离子电导率的增加₁₀如果₆O₂₇比掺杂La-site [34]。以前的研究也表明,阳离子空缺或者过量氧增加了硅酸镧氧化物离子导电性的材料(35,40,41,43- - - - - -46]。因此,广泛的阳离子掺杂对La -和Si-sites可以提高氧化离子电导率的洛杉矶₁₀如果₆O₂₇(47]。

最近,一院制固体氧化物燃料电池(SC-SOFC)在传统的固体氧化物燃料电池吸引了研究人员由于其众多的优点。SC-SOFC可以操作使用燃料的混合物(碳氢化合物燃料可以直接使用)没有密封(48]。电解液的多孔微结构一院制可用于SOFC的舒适气体是不重要的。SC-SOFC,催化活性仅发生在电极之间,燃料在阳极发生的部分氧化,和减少氧气在阴极发生。因此,由于统一的气体组分,两个电极之间的电动势只生成和提高电池性能由于使用空气和碳氢化合物燃料的混合物。在图1,甲烷和氧气是由多孔膜分离。与氧气发生电化学反应离子通过产生一氧化碳(CO)和氢(H₂)由于部分氧化48,49]。

天然气运输通过多孔电解质可以推导出数学粘性流( )和克努森扩散 )(50]: 在哪里孔隙度,r孔的半径,η是气体粘度,是曲折因子,R是每摩尔气体常数,T是温度,l多孔介质的厚度,点的平均压力,毫克ydF4y2Ba气体的摩尔质量,θ_k的参数系数“硬度”的墙。

在最近的研究中,锌等过渡金属掺杂剂^{2 +}被发现在洛杉矶吗₁₀如果₆O₂₇和改进拉的氧化物离子电导率₁₀如果₆O₂₇据Setsoafia et al。40]。其他的研究已经发现^{3 +}氧化掺杂剂还可以提高离子电导率的洛杉矶₁₀如果₆O₂₇所调查的吉冈(41曹]甚至和江36]。因此,在这个工作中,一系列的新小说掺杂₁₀如果₆O₂₇共掺材料准备的^{3 +}和锌^{2 +}在Si -网站通过固态反应烧结温度和电气性能之间的相关性。准备镧一院制磷灰石可用于固体氧化物燃料电池多孔电解质有效。值得注意的,低成本和低温细胞制造与这些多孔电解质是可能的。因此,镧磷灰石结构可能是一个新颖的方法用于多孔SC-SOFC系统由多孔电解质,阳极和阴极磷灰石具有较高的氧化镧离子传导在范围广泛的从1到10的氧气分压⁻²¹自动取款机可以加速氧化离子导电活化能较低。本研究的目的是检查共掺的影响,不同浓度的^{3 +}以一个恒定浓度的锌^{2 +}结构来减少能源消耗和硅酸镧氧化物离子导电性的材料在固体氧化物燃料电池(450到800°C)。

2。实验

2.1。样品制备

硅酸镧拉₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)样本通过固态合成方法合成磷灰石结构(18,51- - - - - -56]。最初,总共10 g适量的洛杉矶₂O_3,SiO,艾尔。₂O₃和氧化锌粉末在球磨,200克的氧化锆球和150毫升乙醇以合理速度250 rpm的24小时。球磨后,混合物被干完全在烤箱80°C。粉末是地面然后在1300°C煅烧10小时在5°C /分钟加热和冷却率有机物的去除。煅烧后,2.5 g的粉末按单向地在50 MPa的恒压模和滞留时间60秒。生成的颗粒烧结在1600°C在5°C为8小时/分钟加热和冷却率。

2.2。描述

的结构特征₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4),研究了利用XRD和SEM,重量%,原子%的元素₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)使用EDX化合物测定。最后,研究了电解质的电化学性能使用EIS。

室温下电解质得到使用的x射线衍射模式Cu-K∝1辐射(波长,λ= 1.5406)的扫描速度每分钟2度。微观结构的电解质得到JEOL地产- 7610 f扫描电子显微镜(57]。EDX与扫描电镜设备的重量%和原子%中的元素₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)的化合物。

氧化物离子电导率测量进行使用与铂丝炉电流收集器。对称的细胞与铂粘贴涂料在顶部和底部表面的颗粒。交流阻抗测量空气中收集50°C的步骤450至800°C使用Solartron阻抗分析仪系统结合电化学界面Zplot电化学阻抗控制的软件。总阻力(散装和晶界电阻之和)在一定温度是获得合适的阻抗图的温度。总氧化离子电导率评估使用以下方程: 在哪里颗粒的厚度,表面积的颗粒进行粘贴,然后呢是总阻力。是来自阿仑尼乌斯活化能阴谋使用阿仑尼乌斯方程如下: 在哪里 电导率(Scm吗⁻¹),preexponential因素,活化能(eV),波尔兹曼常数(8.62×10⁻⁵电动汽车/ K),分别和温度(K)。方程(3可以安排

3所示。结果和讨论

分析烧结在1600°C的磷灰石结构8个小时在空中,x射线衍射(XRD)技术是使用和代表图2。粉末样品的室温XRD模式确认₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)属于一种磷灰石的阶段组成₁₀如果₆O₂₇与空间群P6₃/ m。洛杉矶的一小部分杂质的阶段₂SiO₅从XRD检测数据的出现一些额外的峰值随父磷灰石阶段。杂质很难删除一旦形成,即使外观装配阶段的热力学不支持(39),这是一种逆境,发生在材料在固态法(58]。洛杉矶₂SiO₅杂质发生在第二阶段₂O₃由脱碳反应在煅烧反应与硅酸盐磷灰石在洛杉矶₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)在烧结过程中29日]。拉₂SiO₅结晶的单斜对称P2₁/ c空间群(59]。的杂质小于5%阶段对离子传导无显著影响。的晶格参数₁₀如果_5.6艾尔_0.2锌_0.2O_26.7被发现是一个=b= 9.71,c= 7.21 A和洛杉矶的晶格参数₁₀如果_5.4艾尔_0.4锌_0.2O_26.6被发现是一个=b= 9.73,c= 7.21。材料几乎相似的晶格参数由于他们相似的化学成分和对称。

SEM是一个强大的技术理解密度、晶界和相纯度60]。图3显示的硅酸镧磷灰石的形态结构₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)多孔电解质。这表明La的粒子₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ很好地连接,形成开放渠道在电解液中,使气体通过电解液渗透。磷灰石晶体的横截面扫描电镜分析上述成分显示重要的致密固体材料和可见的晶粒尺寸明显的晶界,加速交换离子的电解质(图指示3)[61年,62年]。样品的晶粒尺寸约1μ洛杉矶的m。非均匀颗粒₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)表明,铣削过程降低了大部分的谷物颗粒的大小密切相关。这反过来有助于磷灰石结构的形成。锌和铝共掺Si-site提高密度以及晶粒尺寸增加了离子电导率。

同时,在运行扫描电镜、能量色散x射线(EDX)分析完全真空气氛。EDX光谱(图4)清楚地描述,除了少量的铝和锌组件、材料包含洛杉矶,硅、铝、锌、和o . La的粒子大小₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)是1μm。重量%和原子% EDX能谱的烧结粉末获得表中列出1。更大的重量%的铝在洛杉矶₁₀如果_5.4艾尔_0.4锌_0.2O_26.6是当的理论内容铝拉₁₀如果_5.4艾尔_0.4锌_0.2O_26.6复合大于拉₁₀如果_5.6艾尔_0.2锌_0.2O_26.7,而重量%的硅和氧更大₁₀如果_5.6艾尔_0.2锌_0.2O_26.7当洛杉矶的硅和氧理论内容₁₀如果_5.6艾尔_0.2锌_0.2O_26.7复合大于洛杉矶₁₀如果_5.4艾尔_0.4锌_0.2O_26.6化合物。在洛杉矶和锌镧的重量%₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)值彼此密切相关的理论成分和锌镧在洛杉矶₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)的化合物都是相同的。结果显示重量%的近似匹配元素化合物和理论的组成元素的化合物(63年]。

图5比较了EIS块₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x在800°C = 0.2和0.4)颗粒与相应的等效电路用于拟合尼奎斯特图。两个半圆形的奈奎斯特图代表了谷物电导率和晶界电导。高频政权属于粮食对电导率的贡献和中程频率属于洛杉矶的晶界对电导率的贡献₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)(38,64年]。的总氧化物离子电导率₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)在一定的工作温度是计算使用方程(2)获得的总电阻是用等效电路拟合阻抗图模型作为插图图5。总电导率不同成分的报道在这部文学作品,从500年到800°C表中列出2。总的来说,它可以表示,洛杉矶的总氧化物离子电导率₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)颗粒逐渐增加而增加温度如表所示2,这表明,离子扩散过程是热激活(41]。拉₁₀如果_5.6艾尔_0.2锌_0.2O_26.7获得最高的总氧化物离子导电率3.24×10⁻³供应链管理⁻¹在800°C₁₀如果_5.4艾尔_0.4锌_0.2O_26.62.08 x 10⁻³供应链管理⁻¹。小重量%的铝和烧结温度8小时1600°C的空气导致良好的电导率达到800°C的中间操作温度。不幸的是,总氧化物离子电导率的测量完全烧结₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)颗粒无法获得,因为球还没有完全烧结甚至在最高温度加热后炉(1600°C),而样本多孔电解质性质,但粮食增长显然是在高温老化可与电导率的结果(66年]。通常情况下,锌掺杂氧化物增加材料的烧结行为和密度(67年]。湿化学法利用共沸蒸馏用于致密硅酸镧。粒子的大小约为10毫米这有助于致密材料(68年]。图6介绍了洛杉矶的阿伦尼乌斯的阴谋₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)球。直线可以来自阿仑尼乌斯的阴谋,很符合阿伦尼乌斯方程。安装线表明氧化离子的扩散过程是热激活(45]。

阿伦尼乌斯在1889年描述的活化能是所需的最小能量进行化学反应(69年),即。,一个s less energy is used, the lower the cost. According to the Meyer–Neldel rule, activation energy is related to the preexponential factor, i.e., with the decrease in activation energy, the preexponential factor will increase and the ionic conductivity is affected by temperature significantly compared to the activation energy. From the slope and the intercept of the linear fit in the Arrhenius plots, the activation energy和preexponential因素k的材料可以获得使用方程(3)。活化能的值E_一个和preexponential因素k拉₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)颗粒与另一个磷灰石结构表3。拉₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)磷灰石材料氧化导致的一个重大进步总离子电导率在操作温度为800°C。在这个工作值得注意的是,我们有一个较大的值preexponential因素可能解释之间的高配位数镧(La)和氧(O) [71年]。因此,拉₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)磷灰石材料也许有用的固体氧化物燃料电池电解质材料(65年]。最近,镧silicate-based材料被用来测量功率密度在中间温度(72年,73年]。

4所示。结论

总之,apatite-type六角₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)晶体被检查为有前途的固体氧化物燃料电池的电解质。尽管如此,与它相关联的业务挑战高烧结温度。烧结的x射线衍射模式₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ(x= 0.2和0.4)材料揭示了磷灰石阶段P6₃/ m空间群与少量的杂质。铣削过程减少了多数大型谷物microsize谷物彼此密切相关,艾滋病在六角磷灰石结构的形成。拉₁₀如果_5.6艾尔_0.2锌_0.2O_26.7给总氧化物离子导电率最高的3.24×10⁻³供应链管理⁻¹在中间操作温度为800°C。活化能是减少与增加preexponential因子和活化能最低的是0.30 eV₁₀如果_5.6艾尔_0.2锌_0.2O_26.7这是最低的国家之一镧silicate-ion导体中激活能量。因此,apatite-type洛杉矶₁₀如果_6−x−0.2艾尔_x锌_0.2O_27−δ可用于SC-SOFCs由于其多孔微结构。

数据可用性

在这项研究中使用的数据是可用的。

的利益冲突

作者声明没有此发布的财务或个人的利益冲突。

确认

作者要感谢学院集成技术、理学院、先进材料与能源科学中心在文莱达鲁萨兰国大学。

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