氧化铈-碳酸盐复相材料H+/O2-导电特性及高效电解制氢性能

The ceria-carbonate composite has been considered as a potential electrolyte for low temperature solid oxide fuel cell (SOFC) due to its excellent ionic conductivity and unique hybrid ionic conduction property. However, the fundamental study of its hybrid ionic conduction behavior is much delayed compared with the application for SOFC. Especially, the ionic conduction mechanism does not form a consensus. Instead, some contrary results have been reported in the open literature. In this proposal, we will use the electrolysis cell, a reverse process of fuel cell, to examine the hybrid ionic (H+ and O2-) conduction characteristics of this prospective composite material. The effect of the synthesis methods, material microstructure and the operational atmospheres on the electrolysis properties including the polarization curves, electrochemical impedance spectroscopy, the activation energy and ionic transport number are investigated to identify suitable synthesis method and cell fabrication technology for effective electrolysis operation. The equivalent circuit mode and continuous percolation mode theories are employed to discuss the possible ionic transport channel, the interaction and multi-ionic conduction mechanism of the composite electrolyte. The research relates to the general characteristics of the composite materials for highly efficient SOFC, the results will play a significant role in developing high ionic conducting materials and improving the system stability for low temperature operation, it will also advance the evolution of the electrolysis technology, and contribute the energy efficiency for China developing.

掺杂氧化铈-碳酸盐复相材料作为一种非常有潜力的低温固体氧化物燃料电池（SOFC）电解质而备受关注。但是，对于该材料的多离子导电行为研究相对其SOFC应用研究却相对滞后。离子导电机理还没有形成统一的认识，甚至形成相反的结论。本项目申请拟提出与燃料电池操作气氛很接近的电解池技术来研究该复相材料的混合氧离子（O2-）和质子（H+）导电特性。探讨复相材料的制备方法、微观结构（粉末颗粒大小、界面结构）、操作气氛与电解性能（极化曲线、阻抗谱、活化能、离子迁移数）的关系，确定具有高电解效率的复相材料制备方法和电池构筑工艺。结合阻抗等效电路模型和连续通道渗透模型理论探讨离子导电途径、离子相互作用和多离子导电机理。本项目涉及SOFC中复相离子导电材料所产生的共性问题，对于开发低温高离子导电材料和提高系统稳定性等关键问题具有重要意义，研究结果也将推动电解制氢技术的发展，为我国能源的高效清洁利用做出贡献。

高离子导电率掺杂氧化铈-碳酸盐复合材料是一种被给予厚望的低温固体氧化物燃料电池电解质，对该材料材料的离子导电机理的认识和研究对其导电性和稳定性能的改善和优化具有重要意义。本课题基于前期试验，提出了与燃料电池操作气氛很接近的电解池技术来研究该复相材料的混合氧离子（O2-）和质子（H+）导电特性，采用不同制备工艺过程合成不同碳酸盐种类和含量、不同微观结构（粉末颗粒大小和比表面）、不同界面性质的氧化铈-碳酸盐复合物，采用表面修饰法制备了三掺杂的氧化铈电解质，考察其导电率、燃料电池以及电解池性能与组成、界面结构以及操作气氛之间的关系，从而揭示O2-/H+在复合电解质中的传导机理。通过横向比较和深入分析，确定了一步燃烧法是获得较大氧化物/碳酸盐异质界面、物相和元素分布均匀以及可放大生产掺杂氧化铈-碳酸盐的有效方法；发现电解条件下的SDC-(Li/Na)2CO3复合电解质氧离子传导占主导，而在燃料电池气氛中SDC-Na2CO3中O2-通过氧化铈网络结构传导，H+通过氧化物/碳酸盐界面传导且占主导，固相碳酸钠的存在抑制离子体相传导的特性；发现表面异质变价元素Pr掺杂能提升电解质表面交换效率和提升抗还原性能，最终大幅度提升电池效率，以上研究结果将为进一步新型复相电解质的结构设计提供理论依据以及为其制备工艺优化提供经验借鉴。另外，项目还系统的综述了碳酸盐在复合电解质和燃料电池系统中的作用：界面连接剂、电解质烧结助剂、H+导电源以及O2还原反应促进剂，开发了系列高活性纳米复合电催化剂，项目研究成果将促进活性稳定高温燃料电池/电解池关键材料的开发和拓展其功能应用。

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