Gd掺杂CeO_2改性材料催化性能的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了一种新型改性催化材料—Gd掺杂Ce O2型催化剂,在燃料电池烃类燃料蒸汽重组反应过程中的催化性能.对比研究了3种掺杂比率下Ce1-xGdxO2(x=0,0.10,0.15)掺杂元素Gd对Ce O2的晶体相结构、氧缺陷形成过程以及表面积碳过程的影响.计算给出了相应掺杂比率下的氧缺陷形成能以及晶体表面吸附石墨烯的吸附能;结果表明:随着掺杂量的增大,氧缺陷形成能减小,晶体相对石墨烯的吸附能增大;分析掺杂前后改性催化材料的电子结构和原子结构的变化,说明Gd掺杂会导致Ce O2晶体表面结构畸变收缩,有效活化表面氧;同时利用化学平衡原理证明了Gd掺杂后的催化材料可以有效抑制表面碳沉积,从理论角度解释了改性催化材料在烃类燃料蒸汽重组反应过程中的作用机制.

稀土元素Gd掺杂CeO_2(111)面储释氧性能的第一性原理研究

本文采用第一性原理平面波超软赝势方法,研究了Gd掺杂Ce O2改性材料应用于固体氧化物电池电解质时的表面储释氧性能.对比研究了三种表面覆盖率Ce1-xGdxO2(x=0,0.10,0.15)下掺杂元素Gd对Ce O2的晶体结构、电子结构、氧缺陷形成过程以及表面积碳过程的影响.计算给出了相应掺杂比例下的氧缺陷形成能以及晶体表面吸附石墨烯的吸附能;结果表明:随着掺杂量的增大,氧缺陷形成能减小,晶体表面对石墨烯的吸附能增大;分析掺杂前后改性催化材料的电子结构的变化;说明Gd掺杂会导致Ce O2晶体表面结构畸变收缩,有效活化表面氧,同时利用化学平衡原理证明了Gd掺杂后的催化材料可以有效抑制表面碳沉积.从理论的角度解释了Gd掺杂Ce O2改性材料在固体氧化物电解质应用中的优势.

沉积温度对Gd掺杂CeO_2电解质薄膜生长及电学特性的影响

采用反应射频磁控溅射技术,在非晶石英衬底上不同温度下制备了纳米多晶Gd掺杂CeO_2(简称GDC)氧离子导体电解质薄膜,采用X射线衍射仪、原子力显微镜对薄膜物相、晶粒大小、生长形貌进行了表征,利用交流阻抗谱仪测试了GDC薄膜的电学性能.结果表明,GDC薄膜生长取向随沉积温度而变化:300～400℃时为强(111)织构生长,而500～600℃时薄膜趋于无规则生长;随着沉积温度的升高,薄膜的生长形貌由同一取向的大棱形生长岛转变为密集球形小生长岛;GDC多晶薄膜的电导活化能约为1.3eV,接近于晶界电导活化能值,说明GDC交流阻抗主要源于晶界的贡献;晶界空间电荷效应导致GDC薄膜电导率随晶粒尺寸而变化,晶粒尺寸越小,电导率越大.

Ce0.8Gd0.2O1.9电解质的电子导电研究

利用溶胶凝胶合成法制备了Ce0.8Gd0.2O1.9(GDC)电解质,并利用XRD,SEM对GDC粉体和电解质基片进行了物相表征.运用Hebb-Wagner极化法组装离子阻塞电极,考察GDC电解质在空气气氛下450~750℃的电子电导率.实验结果表明,GDC呈立方萤石结构,电解质片表面与断面致密.同时,测定出的GDC电子电导率在750℃时为5.698×10^-5 S/cm,在450~750℃下电子电导率与温度呈良好的线性关系.

蓝宝石衬底上Gd_2O_3掺杂CeO_2氧离子导体电解质薄膜的生长及电学性能

采用反应磁控溅射方法,在(0001)蓝宝石单晶衬底上,制备了纳米多晶Gd2O3掺杂CeO2(GDC)氧离子导体电解质薄膜,采用X射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)对薄膜物相、结构、粗糙度、表面形貌等生长特性进行了表征,利用交流阻抗谱仪测试了GDC薄膜不同温度下的电学性能;实验结果表明,GDC薄膜为面心立方结构,在所研究的衬底温度范围内,均呈强(111)织构生长;薄膜表面形貌随衬底温度发生阶段性变化:衬底温度由室温升高到300℃时,对应球形生长岛到棱形生长岛的转变,当完全为棱形岛生长时(300℃),生长岛尺寸显著增大;从400℃开始,则发生棱形生长岛到密集球形生长岛的转变,球形生长岛尺寸明显减小.生长形貌的转变反映着薄膜生长初期不同的成核机理,很可能与蓝宝石(0001)面的表面结构随温度变化有关;GDC多晶电解质薄膜的复平面交流阻抗谱主要源于晶界的贡献,根据Arrhenius图求得电导活化能Ea在1.2—1.5eV范围内,接近于晶界电导的活化能值,并且随衬底温度升高Ea减小(Ea300>Ea400>Ea600);电导活化能以及晶粒尺寸不同,导致GDC薄膜电导率随测试温度的变化规律不同.

阳极支撑型固体氧化物燃料电池的研制

采用固相反应法制备出Gd2 O3 掺杂CeO2 (GDC) ;用流延法制备阳极 ;用丝网印刷法制备电解质层及阴极 ;对GDC的相成分和热膨胀系数进行了测试分析 ;对阳极和电解质烧结后的孔隙率、密度及显微组织进行了表征 .试验结果表明 ,采用流延法及丝网印刷法 ,通过选取合适的粉末原料 ,调整并优化制备过程的工艺参数 。