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。

为了准确验证改性复合阳极的抗硫中毒能力, 对两种SOFCs在0.1% H₂S-H₂中进行了稳定性测试, 测试温度为更易毒化的700 ℃, 电流密度为150 mA·cm-2, 结果如图9(a)所示。NYTO复合阳极SOFC的电压缓慢降低, 说明二维有序的碱金属、极性层状结构可以获得较好的抗硫中毒能力。NYTNO为阳极时SOFC的电压曲线仅在前10 h有少许降低, 后续的30 h则保持稳定, 说明掺杂Ni增加的氧空穴进一步提升了抗硫中毒能力, 可以耐受0.1%的H₂S, 被吸附的H₂S可以更快地转化为SO₂。图9(b)是NYTNO复合阳极SOFC在抗硫中毒能力测试前后的EIS图谱。测试40 h后电池的欧姆阻抗略有降低, 这是因为硫化物可以提高部分材料的电导率。而电池的极化阻抗有所增大, 结合稳定性测试后仅微弱烧结的微观形貌(图S4), 说明NYTNO复合阳极具有优异的抗硫中毒能力和热稳定性。