渠吉发, 王旭, 张维轩, 张康喆, 熊永恒, 谭文轶

无机材料学报 2025, 40 (5): 489-496. DOI:10.15541/jim20240459

摘要（157）

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固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种高效的能源转换装置, 但是传统镍基阳极面临严重的硫中毒问题。本研究采用固相法制备了层状钙钛矿氧化物NaYTiO₄, 并通过异价离子掺杂进行改性。Ni成功进入钙钛矿层后形成NaYTi_0.95Ni_0.05O₄, 掺杂的Ni不仅可以调控晶体的生长特性, 还可以在还原条件下原位析出。层状钙钛矿中二维分布的碱金属和极性结构带来了优异的化学吸水能力和良好的抗硫中毒能力, 材料的吸附氧比例可以借助Ni掺杂提升至64.5%, 表现出更加卓越的性能。所得材料作为SOFC阳极表现出良好的电催化活性, 以H₂为燃料的SOFC在800 ℃的最大功率密度为183.8 mW·cm^-2, H₂燃料中添加0.1% H₂S不仅没有出现明显的毒化现象, 最大功率密度还提升了25.2%, 并且SOFC能够在更易毒化的700 ℃稳定工作40 h, 说明掺杂改性层状钙钛矿氧化物可以显著提升阳极的抗硫中毒性能。

图5(a)是NYTNO还原前后的O1s XPS谱图。对于钙钛矿氧化物, 528.9 eV附近为晶格氧, 531.1 eV附近为吸附氧, 吸附氧信号一般对应于氧空穴[9,19]。通过积分XPS谱图的峰面积, 可以算出还原前后吸附氧的占比分别为56.4%和64.5%, 说明层状钙钛矿氧化物具有较高浓度的氧空穴, 掺杂Ni可以使氧空穴浓度进一步增加。高浓度的氧空穴是化学吸附水的基础之一, 可以提高催化剂的催化活性和抗硫中毒能力。图5(b)是NYTNO还原前后的Ni2p XPS谱图, 还原前几乎观察不到Ni信号, 这可能是因为Ni含量低于设备检测下限。而还原后可以看到明显的Ni2p_3/2峰[34], 说明还原过程使Ni在材料表面出现了一定程度的团聚, 这与H₂-TPR结果一致。图6是NYTNO还原后的EDS元素分布图, 可以看出Na、Y、Ti均匀分布, 虽然Ni的信号较弱, 但仍能确认Ni元素存在于材料的表面。