用于处理汽车尾气的固体氧化物燃料电池阴极材料的制备和性能研究

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汽车尾气中含有大量的NOx,HCs和CO,影响生态环境,危害人体健康。目前国内外最常用的尾气催化方法为三效催化法,将尾气中的CO、HCs氧化为CO2和水,并将NOx还原为N2和O2,但三效催化法采用的催化剂主要是价格昂贵的贵金属,而且在目前广泛采用的稀薄燃烧技术的背景下,三效催化剂只能在较窄的空燃比窗口范围内(A/F在14.6左右)才能同时对NOx、HCs和CO进行有效的催化净化,使其应用受到了挑战。本文提出通过固体氧化物燃料电池处理尾气中的CO和NO,在降低了CO和NO含量的同时,还能将反应产生的能量转化成电能,同时实现了降低污染和节约能源的作用。本论文对镧锶钴铁钙钛矿型催化剂的制备和处理NO和CO污染物的电化学催化性能进行了研究,得到如下结论:采用溶胶凝胶法制备了Cu掺杂的镧锶钴铁(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8-xCuxO3)系列钙钛矿型催化剂,并作为固体氧化物燃料电池的阴极材料,根据Cu元素掺杂量的不同,制备出La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3, La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.6Cu0.2O3, La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.4Cu0.4O3, La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.2Cu0.6O3,Lao.6Sr0.4Co0.2Cu0.8O35种不同的阴极粉体。分别在NO和空气的气氛下,通过电化学交流阻抗测试了5种阴极的性能,研究了温度和Cu的掺杂量对阴极结构和阻抗特性的影响。研究表明:随着温度升高,阴极的欧姆阻抗和活化极化阻抗均呈现单调递减趋势;而随着Cu掺杂量的增加,活化极化阻抗单调递减,欧姆阻抗单调递增。另外,采用溶胶凝胶法和共沉淀法制备了氧化钆掺杂的氧化铈(GDC)粉体,并制备了LSCF-GDC复合阴极,试图利用GDC层阻挡阴极向电解质的渗透,通过XRD图谱和EIS图谱分析得出结论,相对于共沉淀法,溶胶凝胶法制备出的GDC有更加单纯的晶相和更加优良的电化学性能。测试了同一阴极在不同气体氛围下的交流阻抗,分别测试了La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 (LSCF)和La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.4Cu0.4O3在空气、氧气、一氧化氮气氛下的交流阻抗,通过对比分析交流阻抗谱可得出结论:含Cu和不含Cu的阴极材料在三种气氛下呈现同一规律,即活化极化阻抗NO<活化极化阻抗O2<活化极化阻抗airNO作为LSCF系阴极材料的氧化气比O2活性更高,一氧化氮比氧气更易解离,表明LSCF系材料适合处理一氧化氮污染物。采用浸渍法制备了LSCF作阴极的管式固体氧化物燃料电池A和La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.4Cu0.4O3作为阴极的固体氧化物燃料电池B,管式电池长度为10cm,管径1cm,电池有效面积20.93cm2,采用CO气体作为燃料气,NO气体作为氧化气,测试了电池在3种温度(600℃、700℃、800℃)下的交流阻抗和输出功率。通过对两种电池输出性能曲线的分析得到以下结论:NO和CO作为氧化气和燃料气时固体氧化物燃料电池能够产生0.8V左右的电压和0.65W/cm2的功率密度,电池A在低温段有较好的催化效果,电池B则在高温段表现较好。
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