【摘要】：近年來,由于環(huán)境污染造成的溫室效應(yīng)使各地氣候變化劇烈,另外人們的環(huán)境意識(shí)不斷提高,世界各國(guó)都在努力開發(fā)和推廣零污染的供電應(yīng)設(shè)備。固體燃料電池(SOFC)是能量轉(zhuǎn)換率高,環(huán)境污染少的新型能源技術(shù),引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。SOFC的關(guān)鍵部件有陽極、陰極和電解質(zhì)材料以及連接體等。由于SOFC工作溫度通常都在500℃-800℃溫度范圍內(nèi),在這樣的高溫條件下,對(duì)電池各部分材料的性能要求更加嚴(yán)格。為了滿足電池正常運(yùn)行的要求,則就需要對(duì)電池各部分材料的選擇制備和結(jié)構(gòu)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行更深入的研究。鈷酸鑭(LaCoO3)作為近年來發(fā)展起來的鈣鈦礦陰極材料,盡管目前對(duì)其電子結(jié)構(gòu)、缺陷、摻雜改性等方面進(jìn)行了非常大量的研究,但其確切的菱方相晶體的電子結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能,熱力學(xué)性質(zhì)等相關(guān)研究還存在著一定分歧。本文實(shí)驗(yàn)合成了菱方相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)LaCoO3陰極材料,并利用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法預(yù)測(cè)其宏觀特性,從電子、原子尺度解釋材料性能的變化,為發(fā)展鈣鈦礦型陰極材料做了一些基礎(chǔ)性的研究工作,從而為新材料發(fā)現(xiàn)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。本文工作主要圍繞著開發(fā)設(shè)計(jì)與常用電解質(zhì)材料熱膨脹系數(shù)相匹配的陰極材料的目標(biāo)開展。采用溶膠凝膠法合成了純相LaCoO3以及B位過渡金屬離子摻雜的 LaCoa5Fe0.5O3,LaCo0.5Ni0.5O3 和 LaCo0.5Mn0.5O3 粉末樣品。通過 XRD、SEM對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行表征。同時(shí)利用第一性原理計(jì)算的方法分別計(jì)算了純相與摻雜體系的電子結(jié)構(gòu),聲子色散譜,聲子態(tài)密度,部分熱力學(xué)性質(zhì)等。通過分析衍射數(shù)據(jù)可知樣品的空間群均是R-3c。掃描電鏡可以觀察到摻雜體系的晶粒均小于純相體系,且LaCoO3,LaCO0.5Fe0.5OO3,LaCo0.5Ni0.5O3晶粒均具有規(guī)則幾何外形,結(jié)晶性良好。在理論計(jì)算中,本文采用四種不同的交換關(guān)聯(lián)泛函進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,通過計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),對(duì)于LaCoO3體系,GGA的交換關(guān)聯(lián)泛函更適用。本文計(jì)算了 LaCoO3不同自旋狀態(tài)下的電子結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)LaCoO3從低旋到高旋的轉(zhuǎn)變過程中,LaCoO3從半導(dǎo)體向金屬性轉(zhuǎn)變。在計(jì)算聲子色散譜的基礎(chǔ)上,計(jì)算了 LaCoO3的熱容,熵,熱膨脹系數(shù)等熱力學(xué)性質(zhì),通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。另外,我們計(jì)算的LaCoO3的平均熱膨脹為20×10-6K-1顯然大于常用電解質(zhì)的熱膨脹系數(shù)。本文采用相同的計(jì)算方法研究了摻雜體系的電子結(jié)構(gòu),聲子色散譜以及熱膨脹系數(shù)。計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),過渡金屬摻雜能夠顯著降低LaCoO3的熱膨脹系數(shù),使其與常用電解質(zhì)的熱膨脹系數(shù)盡可能匹配。本文利用第一性原理的方法從電荷密度、電荷轉(zhuǎn)移及鍵長(zhǎng)、鍵能等角度解釋了過渡金屬摻雜對(duì)于材料熱膨脹性能的影響。
【圖文】：

廣闊的應(yīng)用空間，是目前研究攻關(guān)的熱點(diǎn)問題ｍ。逡逑１．２．１固體燃料電池的工作原理逡逑如圖１．１所示的是ＳＯＦＣ的工作原理，主要包括三層疊加的結(jié)構(gòu)，其中陰陽兩逡逑極都是多孔材料以及致密的電解質(zhì)。發(fā)生反應(yīng)時(shí)，氧氣通過陰極進(jìn)入電池內(nèi)部，逡逑電池內(nèi)部包含空氣、陰極、電解質(zhì)，以上物質(zhì)形成氣體、固體、固體的三層結(jié)構(gòu)。逡逑氧氣在界面處發(fā)生氧化還原反應(yīng)成為游離的氧離子，該氧離子會(huì)向陽極一側(cè)遷移，逡逑依靠的是內(nèi)部的靜電力，并且必須經(jīng)過電解質(zhì)材料的晶格。完成該遷移之后，燃逡逑料在陽極一端發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成無污染的二氧化碳和水，同時(shí)電子沿著外電路返逡逑回陰極，通過該循環(huán)作用，直流電流在電池內(nèi)部形成。上述反應(yīng)的方程式如下：逡逑陽極反應(yīng)：（１．１）逡逑陰極反應(yīng)：0２＋４ｅ－＝２０２－邐（１．２）逡逑電池總反應(yīng)：２Ｈ２＋０２＝２Ｈ２０邐（１．３）逡逑ＥｌｅＫｒｏｎｉｃ邋ｃｏｎｄｕｃｉｏｒ－＾逡逑Ｓｔａｃｋ邋ｃｅｌｌ邐Ｓｉｎｇｌｅ邋ＳＯＦＣ邋Ｔｒｉｐｌｅ邋ｂｏｕｎｔｙ逡逑ｆｃｒｔｃ邋ｃｏｒｔｏｕｄｏｆ－／／邐？廣邋Ｋ：逡逑ｎｉｐｅ邋ｐｎａｓｅ邋ｂｏｕｎｄａｒｙ－＾邐？逡逑圖１．１固體氧化物燃料電池原理【８］逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ａ邋ｓｏｌｉｄ邋ｏｘｉｄｅ邋ｆｕｅｌ邋ｃｅｌｌ逡逑１．２．２固體氧化物燃料電池關(guān)鍵材料逡逑根據(jù)ＳＯＦＣ的工作原理，我們知道組成單池的各個(gè)部件在ＳＯＦＣ工作時(shí)各自逡逑的角色職責(zé)不同：陽極主要發(fā)生燃料的氧化

率：陰極材料的多孔結(jié)構(gòu)可以保證氣體順考慮氣體傳導(dǎo)和材料力學(xué)來確定材料孔隙率陰極材料的作用是把氧氣還原成氧離子，此過程中陰極實(shí)際作用是提供了氧氣的電他復(fù)雜的反應(yīng)過程，例如體相過程和表面材料主要包括：貴金屬金屬陰極材料、金的氧化物陰極材料。逡逑極材料逡逑化物燃料電池研發(fā)人員對(duì)鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)氧成本低廉，參與氧化還原反應(yīng)過程中仍保雜能力突出，組合靈活。逡逑結(jié)構(gòu)逡逑
【學(xué)位授予單位】：山東科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM911.4

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 金克強(qiáng);黃剛;徐波;張立紅;;基于鐵電陰極材料離子源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J];機(jī)械研究與應(yīng)用;2013年02期

2 徐紅梅;;中低溫固體氧化物燃料電池陰極材料研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2012年13期

3 邵宗平;;中低溫固體氧化物燃料電池陰極材料[J];化學(xué)進(jìn)展;2011年Z1期

4 周洪英;;日立開發(fā)出新型長(zhǎng)壽命鋰電陰極材料[J];功能材料信息;2010年02期

5 吳萬祥,陳愛娣;釷一鎢陰極材料碳化工藝研究[J];應(yīng)用科技;2002年05期

6 金開生,王忠,張國(guó)棟;離子交換膜電解槽活性陰極材料的研究概況[J];礦冶;2001年03期

7 王發(fā)展;張暉;丁秉鈞;;鎢陰極材料及其研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2001年06期

8 ;鋰離子電池陰極材料尖晶石結(jié)構(gòu)Li_(1+x)Mn_(2-x)O_4的研究[J];電化學(xué);1998年04期

9 謝原壽,柳全豐;水溶液電解新陰極材料Ni-Co-S-Mo合金的研究[J];電化學(xué);1998年04期

10 夏定國(guó)，，魏秋明，朱時(shí)珍，劉慶國(guó);高溫固體氧化物燃料電池中的陰極材料[J];中國(guó)稀土學(xué)報(bào);1994年03期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 袁曉佳;紀(jì)巖龍;張華;;La_2Ni_(1-x)Zn_xO_(4+δ)的性能研究[A];2015中國(guó)硅酸鹽學(xué)會(huì)固態(tài)離子學(xué)分會(huì)理事會(huì)議暨第三屆全國(guó)固態(tài)離子學(xué)青年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文摘要集[C];2015年

2 翟鵬;馮憲平;衛(wèi)子健;;氮摻雜石墨烯陰極材料在染料敏化太陽能電池上的應(yīng)用（英文）[A];第四屆新型太陽能電池學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2017年

3 劉孝娟;孟君玲;袁娜;姚傳剛;孟健;;高性能固體氧化物燃料電池陰極材料設(shè)計(jì)的新自由度:陽離子有序度[A];第十三屆固態(tài)化學(xué)與無機(jī)合成學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2014年

4 張文強(qiáng);于波;徐景明;;摻雜CeO_2高溫共電解陰極材料的制備與電性能研究[A];第十七屆全國(guó)高技術(shù)陶瓷學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集[C];2012年

5 樊星;許興燕;夏長(zhǎng)榮;孟廣耀;;溶膠-凝膠法制備固體氧化物燃料電池陰極材料[A];全國(guó)第三屆溶膠—凝膠科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2004年

6 俞小花;謝剛;呂霖;王達(dá)健;李榮興;李永剛;;氧化鋁凝膠-硼化鈦陰極材料的電性能研究[A];第九屆真空冶金與表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2009年

7 劉效疆;陸瑞生;宋文斌;;長(zhǎng)壽命熱電池技術(shù)[A];中國(guó)工程物理研究院科技年報(bào)（2000）[C];2000年

8 劉佳;王鑫;馮玉杰;;微生物電化學(xué)系統(tǒng)中新型空氣陰極材料及效能評(píng)價(jià)[A];第六屆全國(guó)環(huán)境化學(xué)大會(huì)暨環(huán)境科學(xué)儀器與分析儀器展覽會(huì)摘要集[C];2011年

9 劉偉;馬玉民;黃漢年;;陰極電子發(fā)射材料高壓測(cè)試系統(tǒng)[A];中國(guó)電子學(xué)會(huì)真空電子學(xué)分會(huì)第二十一屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2018年

10 曾萍英;周嵬;顧紅霞;邵宗平;;新型高性能中低溫固體氧化物燃料電池用陰極材料[A];第三屆全國(guó)化學(xué)工程與生物化工年會(huì)邀請(qǐng)報(bào)告[C];2006年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前10條

1 ;看鎳與電池密不可分的關(guān)系[N];中國(guó)有色金屬報(bào);2017年

2 本報(bào)駐美國(guó)記者 毛黎;巧用病毒制電池[N];科技日?qǐng)?bào);2009年

3 記者 魏雙林;我國(guó)電解鋁陰極材料生產(chǎn)技術(shù)有新突破[N];中國(guó)冶金報(bào);2004年

4 本報(bào)記者 陸雙平 張燎原;“世界鈧王”科學(xué)發(fā)展“十一五”[N];中國(guó)有色金屬報(bào);2006年

5 紀(jì)濤　高校記者站記者 劉冰;中國(guó)強(qiáng)勢(shì)資源稀土鉬 終可取代百年釷鎢[N];北京日?qǐng)?bào);2005年

6 羅曄;韓國(guó)慶尚北道大力發(fā)展碳素產(chǎn)業(yè)[N];中國(guó)有色金屬報(bào);2016年

7 林琳;“冀炭”科技創(chuàng)新挑戰(zhàn)買方市場(chǎng)[N];中國(guó)有色金屬報(bào);2002年

8 魏雙林;跳起來，才能摘到好果子[N];中國(guó)有色金屬報(bào);2004年

9 錢宇;京杭大運(yùn)河的驛站[N];中華建筑報(bào);2014年

10 楊裕生;“電極”與“電池”存儲(chǔ)的能量別混淆[N];科技日?qǐng)?bào);2008年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 劉清;聚合物太陽能電池的新型陰極界面材料研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

2 李金霞;新型有機(jī)二硫聚合物作鋰二次電池陰極材料的基礎(chǔ)研究[D];武漢大學(xué);2004年

3 黃端平;層狀結(jié)構(gòu)La_2NiO_（4+δ）體系混合導(dǎo)體的化學(xué)合成、結(jié)構(gòu)與性能研究[D];武漢理工大學(xué);2006年

4 張?zhí)m;凝膠注模工藝在中溫固體氧化物燃料電池制備過程中的應(yīng)用研究[D];山東大學(xué);2007年

5 呂洪;中溫固體氧化物燃料電池新型陽極及陰極材料研究[D];上海交通大學(xué);2007年

6 李強(qiáng);類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的性能研究[D];哈爾濱理工大學(xué);2007年

7 孫雪麗;低溫固體氧化物燃料電池陰極材料制備及其性能研究[D];大連海事大學(xué);2007年

8 付大偉;堿土與過渡金屬摻雜的雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)陰極材料及其性能[D];吉林大學(xué);2016年

9 呂世權(quán);中溫固體氧化物燃料電池鈷基陰極材料的性能研究[D];吉林大學(xué);2011年

10 馬文會(huì);固體氧化物燃料電池復(fù)合摻雜陰極材料的研究[D];昆明理工大學(xué);2001年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 王文移;Sr_2Fe_(1.4)Ni_(0.1)Mo_(0.5-x)Nb_xO_(6-δ)材料作為固體氧化物燃料電池陰極及脫硝催化劑的性能研究[D];北京理工大學(xué);2016年

2 李向國(guó);固體氧化物燃料電池雙鈣鈦礦陰極材料的制備與性能研究[D];內(nèi)蒙古科技大學(xué);2019年

3 李舒婷;CeO_2摻雜SrCoO_(3-δ)基鈣鈦礦陰極材料的制備及性能研究[D];內(nèi)蒙古科技大學(xué);2019年

4 諶思;電流對(duì)固體氧化物燃料電池電極界面的擴(kuò)散行為影響研究[D];華中科技大學(xué);2019年

5 盧進(jìn)海;陶瓷電極表界面催化體系及高溫電解二氧化碳性能的研究[D];福州大學(xué);2018年

6 于亞澤;雙鈣鈦礦結(jié)構(gòu)LaBiMn_2O_6陰極材料的優(yōu)化及電化學(xué)性能研究[D];黑龍江大學(xué);2019年

7 王曉;鈣鈦礦型固體氧化物燃料電池陰極材料的制備與第一性原理研究[D];山東科技大學(xué);2018年

8 胡佳幸;固體氧化物燃料電池BSCF-GDC陰極材料的制備與其電化學(xué)性能研究[D];景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué);2018年

9 鮑曉囡;陰極支撐平板式固體氧化物燃料電池的制備及性能研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué);2019年

10 張曉強(qiáng);金屬連接件中鉻對(duì)燃料電池陰極材料的毒化機(jī)制研究[D];電子科技大學(xué);2019年

本文編號(hào)：2599273