(2)加入贵金属的传统复合阴极
另一种提高阴极性能的方法是在阴极材料中加入贵金属(Pt、Pd、Ag、Au)。贵金属的加入可以改善电极的微结构,提高阴极的电催化活性,加快表面氧交换速率,并且可以极大地提高阴极的电子电导率。
Lee等[12]用球磨制备了Nd0.6Sr0.4Co0.5Fe0.5O3-δ-Ag(3%wt)复合阴极,并在900℃下烧结,电池在800℃下测得最大功率为0.15W/cm2,阴极极化电阻从以纯Nd0.6Sr0.4Co0.5O3-δ为阴极的2.05 Ωcm2下降1.56 Ωcm2。随后,用0.1 mg/cm2(0.5%wt)Ag通过注入法与Nd0.6Sr0.4Co0.5Fe0.5O3-δ混合,并在700℃烧结,虽然Ag的加入量少,但是电池表现出了更好的性能,800℃时功率密度为0.27W/cm2,这与此时Ag在阴极中分散度和黏结度比球磨制备的Nd0.6Sr0.4Co0.5Fe0.5O3-δ-Ag复合阴极更好有关。
Sakito等[13]将Ag与La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(LSCF)复合制成复合阴极,并分别制备了阳极支撑的Ni-YSZ/YSZ/LSCF-A和Ni-Ce0.9Gd0.1O1.95 (GDC) /GDC/ LSCF-Ag电池,在530~730℃,以空气和湿氢气做燃料,发现当18%wt Ag粒子渗入到LSCF后,电池的功率密度提高了约50%。Ni-YSZ/YSZ/LSCF-Ag电池在630℃的功率密度是0.25W/cm2,而同样条件下以LSCF为阴极的电池的功率密度为0.16W/cm2。电池在0.7V/700℃运行150h后没有发现输出功率下降的现象。Ni-GDC/GDC/LSCF-Ag电池在530℃时最大功率密度0.415W/cm2。
Simner等[14]将1%vol-2%vol Pd或Pt添加到La0.8Sr0.2FeO3-δ(LSF)阴极材料中,发现在加入2%vol Pd到LSF后,0.7 V/700℃下的功率密度提高50%,而在同样条件下,加入2%vol Pt后无明显提高。而在长期的测试中,加入Pd的复合阴极表现出性能的不稳定性。测试开始2h后,电池的功率密度到达最高为610mW/cm2,在随后的24h内,功率密度迅速降低到400mW/cm2。可能的原因为:在初始测试阶段,Pd的加入提高了阴极的催化活性,而过后一部分Pt-O物质从集电器(current collector)挥发转移到阴极-电解质界面,还原成Pt,并与Pd形成Pd-Pt合金,从而使Pd失去了催化活性,进而影响电池的性能。
2纳米结构复合阴极
纳米结构复合阴极是指阴极的颗粒具有纳米尺度,它与传统复合阴极相比,具有更精细的微观结构和更长的三相反应界面。
目前,纳米结构复合阴极的制备主要有两大类型:①以具有高离子电导的YSZ、GDC电解质为基体骨架,将高电子电导的贵金属(Pd、Pt等)或钙钛矿阴极(LSM、LSF、LSCF)等浸渍到骨架,形成具有离子电子混合导电性的复合阴极;②以LSM、LSCF等传统阴极为基体骨架,用贵金属等电子导体或者YSZ、GDC、SDC离子导体进行修饰,形成离子电子混合导电性的复合阴极。
(1)以YSZ、GDC、SDC电解质为基体的纳米复合阴极
以离子导体为骨架。Zhang等[15]制备了尖晶石型Cul.25Mnl.75O4与YSZ的复合阴极,发现 50%wt的CMO+YSZ复合阴极在750℃的极化电阻是0.3Ωcm2。Jiang[16]等人在LSM骨架上浸渍5.8 mg·cm-2的GDC后,700℃时的阴极极化阻抗由纯 LSM的11.7Ωcm2下降到0.21Ωcm2。浸渍阴极具有如此优异的性能,是和它独特的微结构密切相关的。张瀚[17]等人的通过离子浸渍法制备了SSC-SDC纳米复合阴极,以SDC为骨架,通过研究发现阴极极化阻抗与阴极厚度,SSC 浸渍量和阴极的热处理程序密切相关。当阴极厚度为 173μm 时具有最好的阴极性能,同时发现 SSC 浸渍量为 43wt%时,阴极极化阻抗最小。
(2)以LSM、LSCF等阴极为基体的纳米复合阴极
以电子导体为骨架,用离子导体来修饰它。Murry和Barnett[18,19]研究了LSM/YSZ和LSM/GDC复合阴极的催化性能,发现LSM/GDC阴极在750℃的最低极化电阻是0.49Ωcm2,低于纯LSM电极的3.5Ωcm2极化电阻。