LSCM/3YSZ离子-电子混合导体的研究

采用固相法制备了LSCM(La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3)粉体,并以不同质量比与3YSZ((Y2O3)0.03(ZrO2)0.97)混合制成了LSCM/3YSZ离子-电子混合导体(MIEC)。采用X射线衍射、扫描电镜、热膨胀分析等手段对该混合导体的各项物理特性进行了研究,发现随着LSCM含量的逐渐增多,混合导体中Zr与Sr、Cr等元素的反应有少量杂相生成;LSCM相也逐步形成相连的空间网络结构;LSCM含量在0～40%范围的混合导体其热膨胀系数在0～1350℃测试温度范围内有一个明显的拐点。使用Wagner直流极化法分离了混合导体的离子电导率和电子电导率。当LSCM质量百分比达到40%时,离子电导率以及总电导率开始大幅度地增大;当LSCM含量为50%测试温度800℃时样品的总电导率和离子电导率分别为0.24和0.08S/cm。

多元掺杂LaCoO_3基混合导体的制备与性能研究

为开发新型高性能中温固体氧化物燃料电池阴极材料,采用改进的固相法制备了Sr2+、Ca2+与Fe3+多元掺杂LaCoO3基稀土复合氧化物La0.8Sr0.1Ca0.1Co0.7Fe0.3O2.9(LSCCF81173)和La0.7Sr0.2Ca0.1Co0.8Fe0.2O2.85(LSCCF72182).利用EDS、XRD、TG-DTA、SEM及热膨胀法等技术,对制备样品的化学成分、物相结构、形成过程、显微组织及热膨胀系数等进行分析,并采用直流四端子法测量样品在25～850℃的混合电导率.XRD和SEM分析表明,经1200℃烧结,LSCCF81173和LSCCF72182样品均具有单一的菱方钙钛矿相和孔隙尺寸与分布较均匀的多孔结构;EDS结果证实,制备的样品中基本不含其他杂质元素;在25～500℃较低温度区间,混合电导率与温度的关系近似为直线,说明较低温阶段样品的导电行为符合小极化子导电机制,且具有较低的导电活化能(Ea=0.07584eV和0.07798eV);Ca2+、Fe3+的共同掺杂有利于降低其热膨胀系数,改善与电解质的热匹配性,并对其原因进行了初步分析.

耐高温PBI基质子-电子混合传导复合膜的构制及其氢渗透性能研究

以3,3′-二氨基联苯胺(DABz)和间苯二甲酸(IPA)为原料,采用熔融聚合法合成了低分子量可耐高温的聚[2,2′-(间苯基)-5,5′-联苯并咪唑](mPBI)有机膜材料;以异氰尿酸三缩水甘油酯(TGIC)为交联剂,并浸渍磷酸提供质子传导路径,添加片状石墨作为电子导体,得到质子-电子混合导体mPBI-TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜.对交联复合膜进行结构和性能表征,结果表明交联复合膜具有良好的机械性能和抗氧化稳定性.用于H2/CO2混合气体分离,300℃时,H2选择性高达100%,渗透量为4.93×10^-9 mol/(m^2·s·Pa);280℃时,可稳定运行160 h.表明mPBI-TGIC/石墨/H3PO4交联复合膜具有良好的耐高温性,有望用于工业高温气体的分离.

基于有机混合离子-电子导体材料的有机电化学晶体管

作为有机生物电子学领域的重要功能器件,有机电化学晶体管因其高跨导、低工作电压和良好的生物相容性等优势,在神经形态计算、生物传感、逻辑电路等领域中展现出潜在的应用前景.近年来,得益于有机混合离子-电子导体材料的设计和开发,有机电化学晶体管的器件性能取得了快速提升,并成功推动了器件的多元化应用.本文结合有机电化学晶体管的工作原理和器件评价参数,梳理了有机混合离子-电子导体材料在侧链工程和骨架工程等方面的设计策略和发展现状,重点介绍了p/n型分子设计、器件性能和应用的研究进展,最后总结了高效稳定可商业化有机混合离子-电子材料开发和应用的挑战与机遇.

钙钛矿型混合离子电子导体在能源转化中应用的研究进展

钙钛矿型离子电子导体具有良好的传导氧离子和电子性能,使其在能源转化过程中具有较好的应用前景,已成为人们研究的热点。本文综述了钙钛矿型离子电子导体的主要制备方法,并着重介绍了其在化学循环燃烧、氧气的分离、制氢、太阳能电池方面的应用。钙钛矿型混合离子电子导体可作为一种复合催化剂,应用于甲烷选择性氧化工艺,为钙钛矿离子电子导体应用新途径,同时为甲烷高效催化转化利用提供了理论支持。

新型混合离子-电子导体Sm_(0.9)Ca_(0.1)Al_(1-x)Mn_xO_(3-δ)的制备及其电性能研究

采用有机凝胶法结合固相烧结技术制备了单相的Sm0.9Ca0.1Al1-xMnxO3-δ(SCAM,x=0.1—0.5)新型混合离子-电子导体.通过TG-DTA,XRD和直流四引线法研究了凝胶前驱体的热分解和相转化过程、烧结体的结构、相稳定性、导电性能及其电输运机理.结果表明,凝胶前驱体在900℃焙烧5h可以形成完全晶化的四方钙钛矿相纳米粉体,SCAM陶瓷样品在还原气氛下的相稳定性随Mn含量的升高而降低.经高温烧结制得的SCAM陶瓷的总电导率取决于p型电导,其值随Mn含量和温度的升高而增大,导电行为符合p型小极化子跳跃机理.随烧结温度的升高或保温时间的延长,SCAM9155的电导率和相对密度先增大后减小,1600℃烧结10h的SCAM9155样品具有最高的电导率和相对密度(98.2%),该样品在空气和5%H2/Ar气氛中850℃时的电导率分别为7.30和1.91S/cm,活化能分别为0.273和0.371eV.具有较高电导率的Ca,Mn掺杂的SmAlO3有望成为一种新型的SOFC阳极材料.

中温固体氧化物燃料电池阴极材料Ln_(0.6)Sr_(0.4)Fe_(1-χ)Co_χO_(3-δ)的合成和性能表征

采用固相反应法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料Ln0.6Sr0.4Fe1-χCoχO3-σ（Ln=La,Pr;Nd,Sm和Gd）粉体.对其进行结晶学表征,分析氧含量和失重与温度的关系,并研究了其电导率随温度的变化规律及其与Ce0.8Gd0.2O1.9（CGO）电解质的化学相容性.实验表明,600～800℃;所有样品的电导率均高于100S/cm,其中Nd0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-σ的电导率高达600S/cm,并且与CGO电解质都具有良好的化学相容性.

Sr_(1-x)Bi_xFeO_(3-δ)(x≤0.50)的柠檬酸盐法制备和导电性

采用柠檬酸盐法制备了Sr1－xBixFeO3－δ（x≤0.50）系列氧离子-电子混合导体，并采用XRD、IR、TG、DTA和交流复阻抗技术对产物进行了表征．初始凝胶经自燃和800℃下预烧，可得纯相钙钛矿产物粉体，其结构与SrFeO3相似，为正交对称性．粉体在850～900℃下烧结，可得相对烧结密度在97％以上的烧结体．Sr0.5Bi0.5FeO3－δ的电导率在400℃出现极值，约为3．6Scm－1．

钙钛矿型氧化物混合离子-电子导体在固态氧化物燃料电池阴极材料领域的研究进展

介绍了混合离子-电子导体(mixed ionic-electronic conductor,MIEC)钙钛矿氧化物的工作原理、合成和制备方法、电学和电化学性能表征技术,回顾了2022年MIEC钙钛矿氧化物在固态氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)阴极材料领域中的研究进展,包括MIEC钙钛矿氧化物的表面化学调控、新型MIEC钙钛矿氧化物的发展、MIEC钙钛矿氧化物合成和制备方法上的创新。

木质素催化氧化研究进展

木质素具有含量丰富、分布广泛、结构复杂等特点,可以作为新型材料广泛用于生产高附加值产品,代替不可再生能源以缓解环境问题。木质素的利用率较低,如何提高其利用率是需要解决的问题。针对上述问题,综述了木质素的解聚方法,即热解和催化氧化方法,介绍了新型钙钛矿混合离子电子导体材料的基本结构、性能以及主要影响因素,对其应用前景进行了展望。

直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料的研究进展

如今,世界能源与环境问题日益严峻,其中煤炭、石油等化石燃料的粗放利用是一个很重要的原因,开发一种高效、清洁的煤炭利用技术已经迫在眉睫。直接碳固体氧化物燃料电池(Direct carbon solid oxide fuel cell,DC-SOFC)作为全固态的能量转换装置,可以直接采用固体碳作为燃料,将化学能直接转化为电能,理论上其能量转化效率接近100%。这种全固态的结构可以有效地避免液态金属阳极DCFC和复合电解质型DCFC电解液泄漏、腐蚀和由空气中的二氧化碳引起的电池性能衰减等问题。随着SOFC电池技术的迅速发展,DC-SOFC技术受到了越来越多研究者的关注,并有望成为新一代清洁能源技术。然而,由于采用固体电解质和固体碳燃料,DC-SOFC阳极反应过程复杂且影响因素众多,不同的阳极材料在性能上有着不同的表现。对此,国内外研究者为解释其阳极反应机理做了大量的工作,且不断尝试将各种新型材料用作DC-SOFC的阳极,并取得了一定的成果,对其阳极反应机理做出了合理的推断,在充分发挥DC-SOFC安全性和稳定性的同时大幅提升了其输出性能。目前,对于DC-SOFC的阳极机理,根据电池中碳燃料引入形式的不同,产生了两种不同的理论,且均有合理的实验数据支撑。而已经报道的DC-SOFC阳极材料除了最早的贵金属Pt阳极材料以外,主要有以Ni-YSZ为代表的Ni基复合金属陶瓷阳极材料、以Cu-Ni-YSZ为代表的Cu基复合金属陶瓷阳极材料、以Ag-GDC为代表的Ag基复合金属陶瓷阳极材料及以LST或LSCT为代表的混合离子和电子导体阳极材料(MIECs)。大量研究表明,在金属陶瓷阳极中加入Fe、Sn等具有催化功能的元素能有效增加电池的输出功率,提高燃料的利用效率。这些材料虽然在输出性能上表现不一,但是均存在各自的优势,为DC-SOFC的研究提供了不同的思路。此外,以现有材料为基础,对阳极结构进行优化,进一步提升电池的输出性能,也为未来的阳极材料研究提供了新的方向。本文系统地总结并分析了DC-SOFC阳极结构特性、反应机理以及各类不同阳极材料的最新研究进展,展望了直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料的未来发展方向,以期为DC-SOFC阳极材料的高效研究提供有价值的参考。

Ni-BaCe_(0.6)Zr_(0.2)Nd_(0.2)O_(3-δ)金属陶瓷双相膜的氢渗透性与稳定性

制备了金属陶瓷双相Ni-BaCe0.6Zr0.2Nd0.2O3-δ膜,并将其用于从含氢混合气中分离氢气,研究了该膜在不同条件下的透氢性能以及膜片在CO2与H2O存在条件下的透氢稳定性.结果表明,膜片的透氢量随着温度的升高而提高.当使用含3%H2O的原料气时,膜片透氢量是其在干燥气氛时的2～5倍;在900°C,原料气为潮湿80%H2/He的条件下,膜片的透氢量达到0.073cm3/(mincm2).膜片在含有30%CO2的混合气中,经100h寿命实验后,仍然保持较高的渗透稳定性.这些结果表明该双相膜在分离CO2和H2混合气中具有很好的应用前景.

Ti掺杂对Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co^(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)陶瓷透氧膜性能的影响

采用EDTA-柠檬酸双络合法合成了Ba_(0.5)Sr_(0.5)(Co^(0.8)Fe_(0.2))_(1-x)Ti_(x)O_(3-δ)(x=0~0.2)粉体,并通过干压成型和高温烧成制备了片状致密陶瓷膜。研究了钙钛矿结构中B位Ti掺杂量对合成粉体物相结构和相应的膜的微观结构、电导特性、氧渗透性能和热膨胀性能等的影响。结果表明,5~20 mol/%Ti掺杂Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co^(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)(BSCF)与未掺杂BSCF一样都呈现单一立方钙钛矿结构。不同Ti含量BSCF陶瓷膜经1150℃保温5 h烧成后都可获得致密的微观结构。制备的混合导体陶瓷膜的电导率、氧渗透通量和热膨胀系数都随着Ti含量增加而不断减小,但膜的高温长期稳定性却明显提高。其中,10 mol/%Ti掺杂BSCF膜在800℃工作100 h后的氧渗透通量保持在0.87 mL·cm^(-2)·min^(-1)左右,而未改性膜却衰减至低于0.70 mL·cm^(-2)·min^(-1)。

金属-掺杂氧化铈体系H_(2)/CO电化学反应机理研究进展

应用金属-稀土元素掺杂氧化铈阳极是固体氧化物燃料电池(SOFC)中低温化的重要策略之一。掺杂氧化铈自身的混合离子电子导体(MIEC)特性拓展了反应界面,也使得反应机理更为复杂。本文综述了金属-掺杂氧化铈体系H_(2)和CO的电化学氧化反应机理,指出在H_(2)电化学反应中类Ni/YSZ型H溢出机理占主导地位;对于CO电化学反应,结合在CO催化反应中主要的Marse-van Krevelen(MvK)机制和CO_(2)电化学还原反应逆过程,预测其电荷转移步骤主要发生在氧空位形成和CO_(2)形成反应。在MIEC型反应机理中,H_(2)氧化反应路径的主要区别在于H_(2)解离吸附位点的不同;而CO氧化反应路径根据吸附位点可分为与CeO_(2)晶格氧反应直接生成CO_(2)或者生成碳酸盐中间体,电荷转移步骤为碳酸盐形成和CO_(2)形成反应。综上,H_(2)电化学氧化以H溢出为主,CO电化学氧化的主导反应机理尚不明确,亟待深入研究。本文工作对明晰H_(2)和CO乃至H_(2)/CO混合燃料体系类Ni/YSZ型和MIEC型反应机理具有一定的指导意义。

有机电化学晶体管材料、器件及功能

有机电化学晶体管具有实现高灵敏度的传感及突破“冯·诺依曼瓶颈”实现低功耗的神经形态计算的潜力.目前有限的活性层材料及低的器件性能严重制约着其进一步集成与应用,器件性能的进一步提升亟需关键活性层材料的原始创新.本文综述了本课题组近五年在有机电化学晶体管材料和器件方面的研究进展.我们从材料源头创新出发,致力于材料制备方法、材料结构、聚集态结构、离子电子耦合传输对材料光电性质的影响以及相关的基本规律和物理过程,打破传统设计思路,发展非金属聚合/偶联方法,使用有效的多功能分子设计与结构调控策略制备新概念共轭高分子/寡聚物/小分子混合离子电子导体的有机电化学晶体管活性层材料;开发有机电化学晶体管的关键技术,实现若干集高性能、高稳定性、柔性于一体的有机电化学晶体管,构筑面向柔性、可穿戴器件的传感及低功耗的有机突触晶体管,对柔性生物电子学的发展具有积极的促进意义.

固体氧化物燃料电池中的陶瓷材料

固体氧化物燃料电池(SOFC)也称为陶瓷燃料电池,其关键组成电解质、阴极和阳极均为陶瓷氧化物材料。致密电解质薄膜材料是核心,主要是(纯)氧离子导体,其电导率依赖于氧化物中的氧离子空位传导,氧空位主要来源于氧化物中低价金属离子掺杂;工业上主要使用萤石结构Y_2O_3掺杂的ZrO_2(YSZ)和Sc_2O_3掺杂的ZrO_2(ScSZ),更高氧离子电导率的材料包括掺杂的CeO_2、δ-Bi_2O_3和掺杂的LaGaO_3钙钛矿材料,有望在中低温下使用。电极都是多孔陶瓷材料,同时具有氧离子传导和电子传导性能。工业上阳极主要采用Ni-YSZ多孔金属陶瓷,具有混合离子电子导电性(MIEC)的钙钛矿材料是现在的研究热点。工业上阴极材料主要是掺杂LaMnO_3和YSZ复合陶瓷,在高温下具有良好的电化学性能和稳定性;中高温范围内被认可的材料是掺杂LaFeO_3基钙钛矿材料,以La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_3-δ为代表,具有良好的电化学活性和稳定性;优化材料组分和结构仍然是阴极材料的研究重点,也是SOFC领域必须突破的重要方向。

Pr0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ中空纤维陶瓷膜的制备及其透氧性能(英文)

采用改进的溶胶-凝胶法制备了一系列陶瓷粉体Pr1-xSrxCo1-yFeyO3-δ(x=0.2、0.4、0.6;y=0.2、0.4、0.6、0.8)。运用相转化/烧结技术制造出了Pr0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(PSCF6428)中空陶瓷纤维膜。用热分析、X射线衍射仪、扫描电镜、X射线能谱等技术对制备的粉体、烧结前后的中空纤维膜进行了表征。结果表明:所制备的中空纤维膜内外壁部分均为指状孔结构,中间为海绵状致密层。运用气相色谱仪在线测定了中空纤维膜透氧通量随温度变化的关系。结果表明:膜烧结温度对其透氧性能具有相当大的影响,当烧结温度从1 300℃提高到1 350℃时,中空纤维膜的透氧速率急剧下降。