氧化锆基热障涂层材料掺杂改性研究进展

热障涂层作为燃气轮机和航空发动机设计和制造过程中不可缺少的一项关键技术,起着降低叶片温度、提高发动机工作效率和延长使用寿命的重要作用,目前应用最为广泛的为氧化锆基热障涂层。本文系统的总结了近年来不同元素掺杂对氧化锆基热障涂层及陶瓷材料改性的研究,特别是在相稳定性、热物理性能和力学性能等方面的研究进展,并对其未来研究与发展方向进行了展望。

石墨烯材料/g-C_(3)N_(4)复合光催化剂的构建及光催化性能研究

以石墨相氮化碳(g-C_(3)N_(4))为研究对象,针对其作为光催化剂时存在比表面积小和可见光利用率低等问题进行研究。采用超声辅助合成法,将氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(rGO)分别与g-C_(3)N_(4)按一定比例进行复合,通过XRD、SEM、FT-IR、XPS、UV-Vis等表征方法对复合材料进行表征和分析,研究了其在模拟太阳光下对罗丹明B(RhB)的光催化降解性能和降解动力学。实验结果表明,所得GO/CN、rGO/CN复合光催化剂均具有与g-C_(3)N_(4)具有相同的相结构和更加疏松多孔的形貌,且石墨烯材料的复合可以提高g-C_(3)N_(4)的可见光吸收能力,并使其禁带宽度减小。由可见光光催化性能分析得出,rGO/CN2具有更强的吸附能力,30min时对RhB的吸附率高达64.79%,为同等条件下g-C_(3)N_(4)的5.2倍,GO/CN1.5表现出优异的光催化活性,其催化反应速率常数为9.108×10^(-2) min^(-1),降解RhB 10 min时其降解率达到86.34%,为同等条件下g-C_(3)N_(4)的1.5倍。

Ce掺杂LaFeO_(3)燃料电池阴极材料的制备与电化学性能研究

以La(NO_(3))_(3)·6H_(2)O,Ce(NO_(3))_(3)·9H_(2)O,Fe(NO_(3))_(3)·9H_(2)O等为原料,采用溶胶-凝胶法制备了LaFe_(1-x)Ce_(x)O_(3-δ)阴极材料,通过XRD,SEM进行了物相形貌表征,并进行了热膨胀系数、电导率及电化学交流阻抗的测试.结果表明:所制样品均为正交钙钛矿相,Ce的掺杂使LaFeO_(3)晶粒发生了明显的细化,且随着Ce掺杂量的增加,其热膨胀系数逐渐增加而极化阻抗逐渐减小,当掺杂量为0.1时极化阻抗降到0.909Ω·cm^(2).

固体氧化物电池Sr_(2-x)Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_(6-δ)氧电极材料的电化学性能

本文系统研究了Sr缺位对Sr_(2-x)Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_(6-δ)氧电极材料晶体结构、电导率和电化学性能的影响规律。结果表明Sr缺位导致晶胞体积增大,降低了氧溢出的温度,增强了材料内部晶格氧的活性,Sr_(1.95)Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_(6-δ)材料具有最大的电导率为38.4 S/cm。Sr缺位提高了材料的氧还原反应活性,800℃时Sr_(2-x)Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_(6-δ)、Sr_(1.95)Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_(6-δ)、Sr_(1.9)Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_(6-δ)对称电池在空气下的极化电阻分别为0.102、0.070和0.096Ω·cm^(2)。燃料电池模式下,阳极支撑的NiO-YSZ(SL)/NiO-YSZ(FL)/YSZ/SDC/Sr_(1.95)Fe_(1.5)Mo_(0.5)O_(6-δ)单电池在850、800、750和700℃下的峰值功率密度分别达到1459、953、682和420 mW/cm^(2)。电解池模式下单电池在20%H_(2)O-H_(2)、800℃和1.5 V电压下的电流密度达到-1300 mA/cm^(2)。同时电解池在800℃和-500 mA/cm^(2)条件下稳定运行了100 h,单电池的衰减速率约为0.001 V/h,表现出良好的运行稳定性。

CeO_(2)基电解质固体氧化物燃料电池Al_(2)O3-SiO_(2)-B_(2)O_(3)-Na_(2)O系玻璃密封材料性能研究

采用高温熔融法制备了Al_(2)O3-SiO_(2)-B_(2)O_(3)-Na_(2)O系玻璃密封材料,研究了Al_(2)O_(3)含量对Al_(2)O_(3)-SiO_(2)-B_(2)O_(3)-Na_(2)O玻璃材料密封性能的影响。同时应用FactSage热力学软件对该材料体系进行了相转变计算,对密封材料成分和相组成进行了设计优化。通过实验研究了Al_(2)O_(3)含量对玻璃密封材料热膨胀系数的影响,并将该密封材料应用于CeO_(2)基电解质固体氧化物燃料电池。结果表明,随着Al_(2)O_(3)含量从10 wt.%、20 wt.%增加到30 wt.%,玻璃密封材料的实际使用温度从700℃提高到780℃,热膨胀系数分别为11.25×10^(−6) K^(−1)、11.21×10^(−6) K^(−1)和11.15×10^(−6) K^(−1),与实验测得GDC电解质热膨胀系数10.94×10^(−6) K^(−1)相近,密封材料的稳定性较高,且封接单电池后电池测试结果良好。

SrCoO3-δ基阴极材料掺杂改性的研究进展

钙钛矿(ABO3)型氧化物是目前应用最多的固体氧化物燃料电池阴极材料,其中SrCoO3-δ是钙钛矿阴极材料中研究最普遍的基体.但未掺杂的SrCoO3-δ存在电导率低,结构不稳定等缺点,从阴极材料的要求出发,对近些年来以SrCoO3-δ为母体的钙钛矿型阴极材料的掺杂改进的研究现状进行了较为全面的综述,并展望了其应用前景.

水系锌离子电池二氧化锰正极改性研究进展

水系锌离子电池(AZIBs)MnO_(2)正极材料由于具有较高的工作电压和低制造成本等特点而备受关注,MnO_(2)正极固有的导电性差和充放电过程中结构坍塌等问题,导致其比容量较低和循环稳定性较差,严重制约了AZIBs的发展。本文通过调研相关文献,综述了提高MnO_(2)正极材料电导率和循环稳定性的策略,重点介绍了MnO_(2)结构调控、纳米工程、掺杂改性和与高导材料复合等改性策略。通过分析不同晶体结构的MnO_(2)正极材料的电化学性能,建立了MnO_(2)晶体结构与电池比容量之间的构效关系。详细分析了不同的合成手段对MnO_(2)纳米形貌及电池比容量的影响,为不同形貌的MnO_(2)制备提供了指导。同时分析了元素体相掺杂以及高导电碳基材料的添加对MnO_(2)电导率和循环稳定性的影响规律。最后对高性能AZIBs用MnO_(2)正极材料的发展进行了展望,不同的改善策略可以混合使用,并起到协同作用。

固体氧化物燃料电池气流和热场的宏观尺度数值模拟研究进展

宏观数值仿真方法通过耦合多个物理场可对固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)进行仿真,在研究SOFC内部机理、外部输出性能等方面存在优势,可为电池优化设计提供依据。SOFC内部气体流动的均匀性直接影响电池效率,热场的分布会影响电池的发电性能和长期稳定性。本文总结了SOFC内部流道、外部歧管对流场的影响、优化传统流道以及设计新型流道中的宏观数值仿真模拟,以及宏观尺度数值仿真在热量传输和热稳定性方面的研究进展;概括了宏观数值模拟在分析燃料效率,结合多尺度模型,以及设计SOFC组件及新结构方面的研究进展。对应用宏观数值仿真方法研究SOFC进行总结和展望,认为目前需要统一SOFC结构设计的评价标准,以便量化对比。

Gd2O3掺杂量对Ce1-xGdxO2-δ电解质导电性能的影响

在500~700℃时,Gd2O3掺杂CeO2具有较高的离子电导率,从而被广泛应用于中温固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)中.但在SOFC运行时,在电池的阳极侧Ce4+会被还原成Ce^3+,产生电子泄露现象,从而造成SOFC电池性能的衰减.采用溶胶-凝胶法成功制备Ce1-xGdxO2-δ(x=0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,摩尔分数)固体电解质,研究不同Gd3+掺杂量对GDC电解质总电导率和电子电导率的影响,同时对总电导率、电子电导率与温度、氧分压之间的关系进行分析.结果表明:测试温度为750℃、Gd^3+掺杂量为0.20时,GDC电解质的总电导率最大,达到8.59×10^-2 S·cm^-1;电子电导率随着Gd^3+掺杂量的增大而降低,当Gd3+掺杂量为0.10、测试温度为750℃时,GDC电解质的电子电导率最大,为6.47×10^-4 S·cm^-1.Gd2O3掺杂量为0.20的GDC电解质具有最高的总电导率和较小的电子电导率,从而突显出最高的离子电导率.

铈锆共掺杂对二氧化钛光催化性能的影响研究

采用稀土元素Ce及金属元素Zr对TiO2进行掺杂改性,通过溶胶凝胶法制备了几种掺杂比例不同的TiO2光催化剂,对所得Ce,Zr-TiO2催化剂进行了结构、光谱表征和光催化性能测试,并考察了铈锆掺杂对样品疏水性能的影响。通过X射线衍射(XRD)物相分析表明,制得的样品均为锐钛矿型TiO2,且掺杂铈锆后使TiO2的晶格发生了膨胀;SEM结果表明所得样品形貌均呈海绵状,且粒径分布较为均匀;紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis)测试结果表明掺杂铈锆后的TiO2对可见光吸收能力增强,光吸收范围增大;荧光光谱(PL)测试得出,掺杂铈锆后的TiO2样品中电子-空穴对复合几率减小,载流子寿命增加。水接触角(WCA)实验表明,掺杂铈锆后样品的疏水性有所增强。光催化结果表明,光降解时间为140min时,以300W氙灯为光源,样品0.5%M-TiO2对罗丹明B和亚甲基蓝溶液降解率最高,分别达到61.95%和49.61%。

固体氧化物燃料电池La_(0.7)Sr_(0.3)Fe_(0.9)Ni_(0.1)O_(3-δ)对称电极的电化学性能

采用溶胶凝胶法合成了Sr、Ni共掺杂的La_(0.7)Sr_(0.3)Fe_(0.9)Ni_(0.1)O_(3-δ)(LSFNi)电极材料,研究了CO在LSFNi电极上的电化学氧化过程。研究结果表明:LSFNi与La_(0.8)Sr_(0.2)Fe_(0.8)Ni_(0.2)O_(3-δ)(LSGM)电解质和Gd_(0.2)Ce_(0.8)O_(2-δ)(GDC)之间具有良好的化学兼容性,同时LSFNi材料在5%H_(2)-Ar下的电导率随着温度的升高而增加,850℃时电导率达到0.85 S/cm。当以CO为燃料时,LSFNi-GDC/LSGM/LSFNi-GDC对称全电池在850、800、750和700℃下的最大功率密度分别达到470、288、196和130 mW/cm^(2)。对称全电池在CO下的极化电阻分别为0.64、1.01、1.83和3.82Ω·cm^(2)。与H_(2)燃料相比,CO电化学氧化的电荷转移过程和吸脱附过程较为困难,导致以CO为燃料的电池性能略低于以H_(2)为燃料时的性能。此外,对称电池在850℃和600 mA/cm^(2)的放电电流下电池的电压从0.719 V衰减到0.657 V,电池的衰减速率约为0.003 V/h。

Ce0.8Sm0.2O1.9固体电解质的电子电导性研究

应用溶胶-凝胶法制备了Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)固体电解质粉体,通过X射线衍射对所制备的电解质粉体进行了物相分析。研究表明,Sm2O3已经固溶到CeO_2中形成了具有萤石结构CeO_2基固溶体。经成型并在1450℃下烧结2 h获得致密的Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)固体电解质。通过组装含有氧离子阻塞电极电池(-)致密Al2O3,Pt|Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)(SDC)固态电解质|Pt,O2(+)测试空气中不同温度下的电子电导。应用扫描电子显微镜观察所制备试样的微观组织形貌,结果表明:制备的电解质组织致密,高温粘合剂、电解质及刚玉坩埚结合紧密,保证了阻塞电极的气密性。采用Hebb-Wagner离子阻塞电极法测定了Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)在空气气氛下的电子导电性。结果显示:在测量温度范围内Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)固体电解质的电子电导率在1×10-8~1×10-6m S·cm-1之间,经计算得出活化能的平均值为0.9885 e V。