A位缺位型Ca3-xCo2O6固体氧化物燃料电池阴极材料性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：2021年能源短缺和环境污染是阻碍人类发展的两个重大挑战。与传统的火力发电厂相比，固体氧化物燃料电池(sofc)具有高的能量转换效率、燃料灵活性、 低排放等优点。然而，固体氧化物燃料电池(sofc)高的运行温度导致电池长期稳定性的降低是阻碍其商业化发展的重要原因。因此降低sofc的运行温度是促进其商业化发展的迫切需求。

研究目的与意义：传统的 sofc的工作运行温度太高（1000 ℃）不仅会限制 sofc 各部件材料的选择，而且制约其发展速度，同时会产生电池的寿命的缩短及电池稳定性差等问题。sofc 阴极所发生的电化学反应是具有反应活性的氧原子与主要存在于电解质中的氧空位进行复合并在电解质中形成氧离子的过程。因此阴极材料的选择对电池性能有十分重要的影响，开发出可以降低固体氧化物燃料电池的工作运行温度的电极材料尤其是阴极材料对 sofc 中低温化的发展具有重要的意义。

2. 研究内容和预期目标

主要研究内容：Ca₃Co₂O₆一直是作为热电材料来研究的，在考虑燃料电池的部件材料和结构时，突破了传统燃料电池的设计理念，将合适热电材料引入燃料电池作为燃料电池的阴极。在燃料电池工作的时候会放出大量的余热，那么在装置两端势必会产生温度差，藉此我们可以利用这个温度差来产生热电电压，进一步利用废热。从而增大了SOFC的能量转化效率，理论上可以达到90%以上，在不增加电池本身的部件进一步的提升了SOFC的能量转化效率。但是该材料本身所具有的电导率不高，还不够满足SOFC的性能要求，所以我们通过调控A位非化学计量比的方法来提升Ca₃Co₂O₆的电子和离子电导率。具体研究内容如下：1、液相法制备Ca_3-xCo₂O₆，找出该材料保持结构不变时的最大缺位量；2、将制备出的粉体进行干压成型，烧结，找到合适的烧结温度。3、用四端法测量材料的电导率，探究不同缺位量对材料电导率的影响规律。

3. 研究的方法与步骤

1.x射线衍射（xrd）：是利用x射线在晶体中的衍射现象测试材料的物相组成、晶体结构、晶体缺陷或位错等的一种测试方法。测试结果可以用于计算样品的晶胞参数和内应力，判断是否产生新的物相等。

2.扫描电子显微镜：要是利用二次电子信号成像来观察样品的表面形态，使用逐点成像的方法获得放大像。二次电子被探测器收集，经闪烁器、光电倍增管和放大器先被转变为光信号再被转变为电信号，电信号与扫描样品表面的电子束严格同步，即可获得相对应的样品表面形貌特征的扫描电子图像。

3.电化学阻抗谱:一种以小振幅的正弦波电位或电流为扰动信号的电化学测试方法。工作原理：当加上正弦波的电压微扰(eo sinωt)时，所产生的电流为io sin(ωt Θ)，式中ω=2πf，ω为角频率，f为交流频率，t为时间，Θ为电流相对于电压的相位移。

4. 参考文献

1. fushao li, rui zeng, et al. enhanced electrochemical activity in ca3co2o6cathode for solid-oxide fuelcells by cu substitution. journal of materiomics, 2015, 1, 60-67

2. jing jin, yanjiao wang, et al. preparation and characterization of ca3co2o6as cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cells. materials letters, 2017, 187, 53-55

3. tao wei, yun hui huang, et al. evaluation of ca3co2o6as cathode material for high-performance solid-oxide fuel cell. scientific reports, 2013, 3, 1125

5. 计划与进度安排

1-2周 查阅相关文献，收集相关的资料，完成开题报告；

3-6周溶胶-自蔓延法制备不同化学计量比的ca_3-xco₂o₆粉体，找出合适的缺位量；

7-9周 对ca_3-xco₂o₆粉体进行压条，然后进行烧结。找到合适的烧结温度；