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8(a~c)为NYTO和NYTNO复合阳极SOFCs在不同条件下的电流-电压-能量密度(I-V-P)曲线。NYTO复合阳极SOFC表现良好, 在800 ℃的H₂中开路电压为0.764 V, 与已报道的SDC电解质支撑电池数值接近[35], 电池最大功率密度可达173.3 mW·cm-2,说明直接喷涂的层状钙钛矿氧化物可以用做SOFCs阳极。NYTNO复合阳极SOFC的最大功率密度提升至183.8 mW·cm-2, 说明Ni掺杂改性可以提升阳极对H₂的电催化活性。当使用0.1% H₂S-H₂为燃料时, SOFC的最大功率密度显著增大, 800 ℃时为230.1 mW·cm-2, 相比H₂燃料提升25.2%,说明硫化物反而可以提升层状钙钛矿氧化物的电催化能力, 这是因为化学吸附的硫化物可以促进H₂分子分解。除了优异的电催化活性, NYTNO阳极还表现出良好的抗硫中毒能力。如图8(c)所示, 随着工作温度降低, SOFC的开路电压略有下降, 但是最大功率密度并没有显著下降, 说明H₂S对电极的负面影响极小。

图8(d)为两种电池在800 ℃以H₂和0.1% H₂S-H₂为燃料时的电化学阻抗谱(EIS)图谱, 其中曲线与阻抗实轴的第一个交点代表欧姆阻抗, 两个交点的差值代表极化阻抗。可以看出燃料中添加H₂S后极化阻抗均显著降低, 证实高浓度的H₂S不仅没有对阳极产生毒化作用, 反而可以促进电化学过程。NYTNO复合阳极SOFC以0.1% H₂S-H₂为燃料时的欧姆阻抗略有增加, 这可能是因为独立的Ni单质受到毒化, 但是电池的总阻抗降低, 说明添加0.05(摩尔分数)Ni有更多的积极影响。