本文主要研究内容
作者李一航（2019）在《CO2的固体氧化物电解池关键材料与电化学性能研究》一文中研究指出：固体氧化物电解池(SOEC)是一种全固态结构的能量与物质转换器件,具有效率高、清洁无污染等优点。利用可再生能源的电力,SOEC可以电解CO2和H2O制备H2和CO等高价值化学品,同时将电能转换成化学能储存。因此,SOEC在能源与环境领域都备受关注,但其发展和应用仍面临巨大的挑战。例如,电解池性能受限于CO2和H2O的还原动力学,同时传统Ni基阴极在高浓度CO2和H2O气氛中存在氧化、积碳和团聚长大等问题。本论文的主要目的是设计和开发高活性的阴极材料,同时调整电池构型和电极微结构,获得可以直接、高效和稳定电解纯CO2的SOEC模型电解池。本论文选择钙钛矿氧化物Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ(SFM)作为CO2还原的阴极材料,对SFM电极材料进行组成、结构和微结构研究,包括复相电极、纳米催化剂、表面修饰和体相掺杂等多种工程化方法,并探索电极反应动力学和考察电解性能的稳定性。第一章为绪论,主要介绍了 SOEC的重要性和发展历程,工作原理、热/动力学参数和极化损失,综述了近年来CO2电解的材料研究进展和研究方法,最后提出本论文的立题依据和研究内容。第二章研究了 SFM的结构、材料性质和作为CO2还原的阴极电化学性能。SFM在1:1 CO-CO2气氛中呈立方钙钛矿结构,电导率在8.5-25 Scm-1(500-850℃)范围内。以La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)为电解质和SFM单相材料为阴极构成模型电池,在800℃、1.5V条件下,电解CO2的电流密度为0.71 Acm-2。添加离子导体Sm0.2Ce0.8O2-δ(SDC),形成SFM-SDC复相电极后电流密度增加至1.09 ACm-2,在1.5V下工作100h,电解性能未发生明显衰减。第三章研究了SFM基纳米结构电极和电解池的电化学性能。首先用溶液浸渍法在YSZ骨架上制备了SFM纳米催化剂。在1:1 CO-CO2和空气中,纳米复合电极的电导率都随浸渍量和温度的上升而增加。当SFM负载量为5.46 vol.%,SFM纳米颗粒互相连通,并形成电子导电网络。结合相转化流延-浸渍法,制备了梯度结构的SFM-YSZ纳米阴极支撑的电解池。800℃、1.5V电压下,电解CO2的电流密度为1.10 Acm-2;共电解CO2-H2O时,当水蒸气分压为20vol.%,电流密度达1.27 Acm2,表明电解H20蒸汽的速率高于电解CO2。此外,通过调节电压可以控制产物成分,例如在1.3V电压下H2/CO的比例恰好为2。进一步以LSGM为骨架,浸渍SFM纳米催化剂,形成基于SFM-LSGM的对称电解池,800℃、1.5V下电解CO2的电流密度提高至1.24 Acm-2。根据电压与电极阻抗关系并结合弛豫时间分布法,分析表明,电压小于1.2V时CO2电解反应由电荷转移过程主导,而大于1.2V时,反应由电解池的欧姆电阻限制。第四章研究了原位脱溶制备NiFe合金纳米颗粒对SFM电极性能的增强效应。程序升温还原分析发现,A位缺陷的钙钛矿可以降低结构稳定性,有利于B位活性金属的脱溶。阻抗谱研究结合DRT分析表明,NiFe合金纳米颗粒促进CO2还原表面过程,包括物种的吸附解离和电荷转移等。极化曲线的Tafel拟合表明CO2还原的第一步得电子反应为速控步骤。电解池在800℃、1.5V下的电流密度为2.16 Acm-2,与SFM相比提升了 106%;相应的电极表面反应速率常数从7.15×10-5增加至1.01×10-4 cm s-1。此外,阴极表现出优异的耐久性和抗积碳性,主要是源于原位脱溶的NiFe合金纳米颗粒与钙钛矿基底强的相互作用。第五章研究了氟阴离子掺杂对SFM电极性能的增强效应。用燃烧法制备了Sr2Fe1.5Mo0.506-δF0.1(F-SFM)材料。XRD分析氟阴离子掺杂于SFM的O位使晶胞体积缩小,晶格常数从3.916 A减少至3.910 A。XPS分析发现F的掺杂削弱了F-SFM中金属与氧的平均键能,同时热重测试表明F-SFM在高温下具有更高的氧空位和电子浓度。电化学弛豫测试表明,F-SFM的化学扩散系数和表面氧交换系数比SFM提升了2-3倍。阻抗谱测试表明,CO2还原的极化电阻也明显降低,例如在800℃从1.136降低至0.656 Ωcm2。以F-SFM为单相阴极的电解池在800 ℃、1.5V条件下,电解CO2的电流密度为1.36 Acm-2,接近SFM电解池性能的2倍。理论计算也证明,F氟阴离子掺杂导致材料发生表面重构,增强了CO2吸附和解离过程。在恒电流密度1.1 Acm-2下工作,电解池经历初期的缓慢衰减后可稳定运行超过100小时。第六章总结了本论文的创新点和研究结论,并展望了该领域未来可能值得研究的重要方向。
Abstract
gu ti yang hua wu dian jie chi (SOEC)shi yi chong quan gu tai jie gou de neng liang yu wu zhi zhuai huan qi jian ,ju you xiao lv gao 、qing jie mo wu ran deng you dian 。li yong ke zai sheng neng yuan de dian li ,SOECke yi dian jie CO2he H2Ozhi bei H2he COdeng gao jia zhi hua xue pin ,tong shi jiang dian neng zhuai huan cheng hua xue neng chu cun 。yin ci ,SOECzai neng yuan yu huan jing ling yu dou bei shou guan zhu ,dan ji fa zhan he ying yong reng mian lin ju da de tiao zhan 。li ru ,dian jie chi xing neng shou xian yu CO2he H2Ode hai yuan dong li xue ,tong shi chuan tong Niji yin ji zai gao nong du CO2he H2Oqi fen zhong cun zai yang hua 、ji tan he tuan ju chang da deng wen ti 。ben lun wen de zhu yao mu de shi she ji he kai fa gao huo xing de yin ji cai liao ,tong shi diao zheng dian chi gou xing he dian ji wei jie gou ,huo de ke yi zhi jie 、gao xiao he wen ding dian jie chun CO2de SOECmo xing dian jie chi 。ben lun wen shua ze gai tai kuang yang hua wu Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ(SFM)zuo wei CO2hai yuan de yin ji cai liao ,dui SFMdian ji cai liao jin hang zu cheng 、jie gou he wei jie gou yan jiu ,bao gua fu xiang dian ji 、na mi cui hua ji 、biao mian xiu shi he ti xiang can za deng duo chong gong cheng hua fang fa ,bing tan suo dian ji fan ying dong li xue he kao cha dian jie xing neng de wen ding xing 。di yi zhang wei xu lun ,zhu yao jie shao le SOECde chong yao xing he fa zhan li cheng ,gong zuo yuan li 、re /dong li xue can shu he ji hua sun shi ,zeng shu le jin nian lai CO2dian jie de cai liao yan jiu jin zhan he yan jiu fang fa ,zui hou di chu ben lun wen de li ti yi ju he yan jiu nei rong 。di er zhang yan jiu le SFMde jie gou 、cai liao xing zhi he zuo wei CO2hai yuan de yin ji dian hua xue xing neng 。SFMzai 1:1 CO-CO2qi fen zhong cheng li fang gai tai kuang jie gou ,dian dao lv zai 8.5-25 Scm-1(500-850℃)fan wei nei 。yi La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)wei dian jie zhi he SFMchan xiang cai liao wei yin ji gou cheng mo xing dian chi ,zai 800℃、1.5Vtiao jian xia ,dian jie CO2de dian liu mi du wei 0.71 Acm-2。tian jia li zi dao ti Sm0.2Ce0.8O2-δ(SDC),xing cheng SFM-SDCfu xiang dian ji hou dian liu mi du zeng jia zhi 1.09 ACm-2,zai 1.5Vxia gong zuo 100h,dian jie xing neng wei fa sheng ming xian cui jian 。di san zhang yan jiu le SFMji na mi jie gou dian ji he dian jie chi de dian hua xue xing neng 。shou xian yong rong ye jin zi fa zai YSZgu jia shang zhi bei le SFMna mi cui hua ji 。zai 1:1 CO-CO2he kong qi zhong ,na mi fu ge dian ji de dian dao lv dou sui jin zi liang he wen du de shang sheng er zeng jia 。dang SFMfu zai liang wei 5.46 vol.%,SFMna mi ke li hu xiang lian tong ,bing xing cheng dian zi dao dian wang lao 。jie ge xiang zhuai hua liu yan -jin zi fa ,zhi bei le ti du jie gou de SFM-YSZna mi yin ji zhi cheng de dian jie chi 。800℃、1.5Vdian ya xia ,dian jie CO2de dian liu mi du wei 1.10 Acm-2;gong dian jie CO2-H2Oshi ,dang shui zheng qi fen ya wei 20vol.%,dian liu mi du da 1.27 Acm2,biao ming dian jie H20zheng qi de su lv gao yu dian jie CO2。ci wai ,tong guo diao jie dian ya ke yi kong zhi chan wu cheng fen ,li ru zai 1.3Vdian ya xia H2/COde bi li qia hao wei 2。jin yi bu yi LSGMwei gu jia ,jin zi SFMna mi cui hua ji ,xing cheng ji yu SFM-LSGMde dui chen dian jie chi ,800℃、1.5Vxia dian jie CO2de dian liu mi du di gao zhi 1.24 Acm-2。gen ju dian ya yu dian ji zu kang guan ji bing jie ge chi yu shi jian fen bu fa ,fen xi biao ming ,dian ya xiao yu 1.2Vshi CO2dian jie fan ying you dian he zhuai yi guo cheng zhu dao ,er da yu 1.2Vshi ,fan ying you dian jie chi de ou mu dian zu xian zhi 。di si zhang yan jiu le yuan wei tuo rong zhi bei NiFege jin na mi ke li dui SFMdian ji xing neng de zeng jiang xiao ying 。cheng xu sheng wen hai yuan fen xi fa xian ,Awei que xian de gai tai kuang ke yi jiang di jie gou wen ding xing ,you li yu Bwei huo xing jin shu de tuo rong 。zu kang pu yan jiu jie ge DRTfen xi biao ming ,NiFege jin na mi ke li cu jin CO2hai yuan biao mian guo cheng ,bao gua wu chong de xi fu jie li he dian he zhuai yi deng 。ji hua qu xian de Tafelni ge biao ming CO2hai yuan de di yi bu de dian zi fan ying wei su kong bu zhou 。dian jie chi zai 800℃、1.5Vxia de dian liu mi du wei 2.16 Acm-2,yu SFMxiang bi di sheng le 106%;xiang ying de dian ji biao mian fan ying su lv chang shu cong 7.15×10-5zeng jia zhi 1.01×10-4 cm s-1。ci wai ,yin ji biao xian chu you yi de nai jiu xing he kang ji tan xing ,zhu yao shi yuan yu yuan wei tuo rong de NiFege jin na mi ke li yu gai tai kuang ji de jiang de xiang hu zuo yong 。di wu zhang yan jiu le fu yin li zi can za dui SFMdian ji xing neng de zeng jiang xiao ying 。yong ran shao fa zhi bei le Sr2Fe1.5Mo0.506-δF0.1(F-SFM)cai liao 。XRDfen xi fu yin li zi can za yu SFMde Owei shi jing bao ti ji su xiao ,jing ge chang shu cong 3.916 Ajian shao zhi 3.910 A。XPSfen xi fa xian Fde can za xiao ruo le F-SFMzhong jin shu yu yang de ping jun jian neng ,tong shi re chong ce shi biao ming F-SFMzai gao wen xia ju you geng gao de yang kong wei he dian zi nong du 。dian hua xue chi yu ce shi biao ming ,F-SFMde hua xue kuo san ji shu he biao mian yang jiao huan ji shu bi SFMdi sheng le 2-3bei 。zu kang pu ce shi biao ming ,CO2hai yuan de ji hua dian zu ye ming xian jiang di ,li ru zai 800℃cong 1.136jiang di zhi 0.656 Ωcm2。yi F-SFMwei chan xiang yin ji de dian jie chi zai 800 ℃、1.5Vtiao jian xia ,dian jie CO2de dian liu mi du wei 1.36 Acm-2,jie jin SFMdian jie chi xing neng de 2bei 。li lun ji suan ye zheng ming ,Ffu yin li zi can za dao zhi cai liao fa sheng biao mian chong gou ,zeng jiang le CO2xi fu he jie li guo cheng 。zai heng dian liu mi du 1.1 Acm-2xia gong zuo ,dian jie chi jing li chu ji de huan man cui jian hou ke wen ding yun hang chao guo 100xiao shi 。di liu zhang zong jie le ben lun wen de chuang xin dian he yan jiu jie lun ,bing zhan wang le gai ling yu wei lai ke neng zhi de yan jiu de chong yao fang xiang 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自中国科学技术大学的李一航，发表于刊物中国科学技术大学2019-07-12论文，是一篇关于固体氧化物电解池论文,还原论文,阴极论文,钙钛矿论文,浸渍论文,阴离子掺杂论文,中国科学技术大学2019-07-12论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自中国科学技术大学2019-07-12论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
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