金属ナノ粒子と混合導電性酸化物の相互作用を利用した高性能電極の設計

利用金属纳米颗粒和混合导电氧化物之间的相互作用设计高性能电极

基本信息

批准号：
19017008
负责人：
内田裕之
金额：
$ 3.78万
依托单位：
University of Yamanashi
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
2007
资助国家：
日本
起止时间：
2007 至 2008
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19017008/
关键词：
金属ナノ粒子セリアニッケル混合導電体高性能電極

项目摘要

本研究は、金属ナノ粒子と混合導電性酸化物間の特異な相互作用を解明・制御して高性能電極を開発し、ナノイオニクスの発展に貢献することを目的とする。本年度は、以下の成果を得た。1) 噴霧プラズマ法で合成したNi-SDC複合粒子のNi粒子サイズ制御とSOFCアノード特性昨年度報告したように、組成と粒径がよく制御されたSDC固溶体とNiOの複合粒子がSSP法により一段階で簡便に合成できる。この粒子は中空状であり、Ni, Ce, Smが均一に分布していた。水素気流中800〜1000℃で1時間還元処理するとNiOは全てNiに還元できた。NiとSDC間の強い相互作用により、SDC表面にアンカーされた状態でNi粒子が析出し、Ni結晶子サイズは、1000℃還元では50nm、800℃では37nmであった。還元温度を低くするほどNi粒径を小さく制御できることがわかった。このNi-SDCをYSZ電解質に取り付けてSOFCアノード特性を評価した結果、17vol%-Niで最大活性を示すことを見出した。2) ヘテロ界面制御 : 混合導電性酸化物LSCF酸素極の長期耐久性La_<0.6>Sr_<0.4>Co_<0.2>Fe_<0.8>O_3(LSCF)+SDC/LSCF二重層構造電極を900℃、0.5A/cm^2で酸素発生させ、5000時間の耐久性を実証できた。落雷での停電での急冷、作業停電での室温までのヒートサイクルにも耐え、0.15V以下(vs. air)という高い性能を維持できた。試験開始時と再起動時に、一度上昇した電位が緩やかに回復する原因は、電極内の粒子同士の焼結がガス拡散性を抑制しない程度に進行してイオンと電子の導電ネットワークが向上し、有効反応領域が増大することに加え、LSCF中のCoの価数変化または相変化が起こっている可能性が高いことを明らかにした。

这项研究的目的是阐明和控制金属纳米颗粒与混合导电氧化物之间的独特相互作用，开发高性能电极，并为纳米离子学的发展做出贡献。今年，我们取得了以下成果。 1）喷雾等离子体法合成的Ni-SDC复合颗粒的Ni粒径控制和SOFC阳极性能去年报道，采用SSP法一步合成了成分和粒径得到良好控制的SDC固溶体和NiO复合颗粒它可以很容易地合成。颗粒呈中空状，Ni、Ce、Sm分布均匀。在氢气流中于800-1000℃还原处理1小时，可将NiO全部还原为Ni。由于Ni和SDC之间的强相互作用，Ni颗粒以锚定状态沉淀在SDC表面上，Ni晶粒尺寸在1000℃还原时为50nm，在800℃还原时为37nm。结果发现，还原温度越低，可以控制的Ni颗粒尺寸越小。将这种 Ni-SDC 连接到 YSZ 电解质并评估其 SOFC 阳极性能的结果是，我们发现它在 17 vol%-Ni 时表现出最大活性。 2）异质界面控制：混合导电氧化物LSCF氧电极的长期耐久性我们能够以0.5A/cm^2的电流产生氧气，并展示了5000小时的耐久性。它能够承受雷击断电期间的快速冷却以及工作断电期间热循环到室温的情况，并在0.15V以下（相对于空气）保持高性能。电势一旦增加在测试开始和重新启动时逐渐恢复的原因是电极内颗粒的烧结进展到不抑制气体扩散性的程度，从而改善了离子和电子的导电网络。增加有效反应面积，我们发现LSCF中Co的价态或相可能发生变化。