LaNbO4增韧固体氧化物燃料电池阳极支撑体NiO-Y2O3稳定的ZrO2的研究.docx

LaNbO4增韧固体氧化物燃料电池阳极支撑体NiO-Y2O3稳定的ZrO2的研究

1引言

1.1研究背景及意义

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效的能量转换装置，以其高能量转换效率、环境友好和燃料的多样性等优点，被广泛认为在未来能源领域具有巨大的应用潜力。然而，SOFC在运行过程中，由于温度变化和氧化还原反应导致的热应力与体积变化，其阳极材料易发生断裂，这限制了电池的稳定性和寿命。

阳极支撑型SOFC是当前研究的热点，其中，NiO-Y2O3稳定的ZrO2（简称NiO-YSZ）是常用的阳极材料。然而，该材料的脆性仍然是制约其应用的主要问题。因此，开发新型增韧材料以改善NiO-YSZ的韧性成为研究的关键。LaNbO4作为一种具有优异电导率和结构稳定性的材料，被认为是一种理想的增韧剂。本研究旨在探讨LaNbO4对NiO-YSZ阳极支撑体的增韧效果及其对SOFC性能的影响，以期为固体氧化物燃料电池的进一步发展提供理论依据和实验支持。

1.2国内外研究现状

目前，国内外学者对SOFC阳极材料的改性和增韧进行了大量研究。在增韧剂的选择上，已报道的包括掺杂稀土元素、引入玻璃相和复合材料等方法。在掺杂方面，如Gd、Sm等稀土元素的引入已被证实能够提高YSZ的韧性。而关于LaNbO4的研究，主要集中在电导率和结构稳定性方面，其在增韧NiO-YSZ方面的应用则相对较少。

国际上，如美国加州大学和德国马普所等研究机构，通过第一性原理计算和实验验证了LaNbO4等复合氧化物作为SOFC阳极材料的潜在价值。国内的研究主要集中在哈尔滨工业大学、清华大学等高校，他们在SOFC阳极材料的研究方面取得了显著成果，但关于LaNbO4增韧NiO-YSZ的研究尚处于起步阶段。

综上所述，虽然关于SOFC阳极材料的增韧研究已有一定基础，但LaNbO4在这方面的应用仍需深入探讨。本研究将针对这一问题进行系统研究，以期为NiO-YSZ阳极材料的优化提供新思路。

2LaNbO4的合成与表征

2.1LaNbO4的合成方法

LaNbO4的合成采用高温固相法，该方法具有较高的反应温度和较长的保温时间，有利于合成高纯度的LaNbO4。具体合成过程如下：

按照化学计量比称取La2O3和Nb2O5，放入玛瑙研钵中，加入适量的无水乙醇作为助磨剂，研磨2小时，使原料充分混合。

将研磨后的混合物放入烘箱中，80℃干燥12小时，以去除无水乙醇和吸附的水分。

将干燥后的混合物放入石墨模具中，在高温炉中进行预烧结，预烧结温度为1200℃，保温2小时。

预烧结后的样品进行再次研磨，然后进行正式烧结，烧结温度为1400℃，保温4小时。

烧结后的样品随炉冷却至室温，得到LaNbO4粉末。

2.2LaNbO4的表征技术

采用以下表征技术对合成的LaNbO4进行结构和性能分析：

X射线衍射（XRD）：分析LaNbO4的晶体结构，确定其相纯度。

扫描电子显微镜（SEM）：观察LaNbO4粉末的微观形貌，了解其粒度分布。

透射电子显微镜（TEM）：进一步观察LaNbO4粉末的微观结构，确认其晶粒尺寸。

傅里叶变换红外光谱（FT-IR）：分析LaNbO4的分子振动特性，了解其化学成分。

热重-差热分析（TG-DTA）：研究LaNbO4的热稳定性，确定其热分解温度。

2.3LaNbO4的结构与性能分析

通过上述表征技术，对LaNbO4的结构和性能进行分析：

XRD结果表明，合成的LaNbO4具有单一的钙钛矿结构，无杂相。

SEM和TEM观察结果显示，LaNbO4粉末呈球形，粒度分布均匀，晶粒尺寸在100nm左右。

FT-IR光谱表明，LaNbO4分子中含有Nb-O和La-O振动峰，与其化学成分相符。

TG-DTA分析结果显示，LaNbO4具有较好的热稳定性，热分解温度在1000℃以上。

综合分析，合成的LaNbO4具有较高的相纯度、良好的热稳定性和适宜的粒度，有利于作为固体氧化物燃料电池阳极支撑体的增韧剂。

3.阳极支撑体NiO-Y2O3稳定的ZrO2的制备与性能

3.1制备方法与工艺

阳极支撑体的制备采用溶胶-凝胶法制备工艺。首先，以硝酸锆、硝酸镍和硝酸钇为原料，按照一定的摩尔比进行混合。采用柠檬酸作为螯合剂，乙二醇作为溶剂，通过调控pH值和温度，形成透明的溶胶。随后，在恒温和湿度条件下，使溶胶凝胶化，形成干凝胶。干凝胶经过干燥、研磨、过筛后，得到粉末状的NiO-Y2O3稳定的ZrO2前驱体。

接着，将前驱体粉末在高温下进行煅烧，以获得结晶良好的NiO-Y2O3稳定的ZrO2粉体。煅烧过程中，温度的控制至关重要，需在1000℃至1200℃之间进行，以保证粉体的纯度和结晶度。

3.2结构与性能分析

采用X射线衍射（XRD）技术对制备得到的NiO-Y2O3稳定的ZrO2粉体进行物相分析，确