La2NiO4+δ-La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ复合阴极：导电性与热膨胀性的研究
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更新于2024-09-05
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"该文研究了La2NiO4+δ与La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ组成的复合阴极材料，探讨了不同成分比例对材料导电性和热膨胀性能的影响。实验结果显示，随着La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ组分增加，导电性提升，热膨胀系数增大。最佳比例为30%，此时材料在中温区间表现出较高的电导率和适中的热膨胀系数，适用于中温固体氧化物燃料电池的应用。"
在固体氧化物燃料电池（SOFC）领域，阴极材料的性能直接影响电池的整体效率和稳定性。La2NiO4+δ作为一种A2BO4型结构的氧化物，由于其合适的热膨胀系数和良好的氧离子迁移能力，被广泛研究作为阴极候选材料。然而，它在中温范围内的电导率不足，限制了其实用化。
该研究通过将La2NiO4+δ与La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ两种材料复合，试图改善电导率问题。La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ是一种具有较高电导率的氧化物，通过调整两者在复合材料中的比例，可以优化整体性能。实验发现，在1450℃下烧结4小时，两种组分之间没有明显的化学反应，证明了它们之间的良好化学相容性。
进一步的实验结果显示，随着La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ含量的增加，复合材料的总电导率上升，这表明添加La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ可以有效提高电导性能。同时，热膨胀系数也随之增大。在x=30的组成比例时，材料在600℃至800℃的中温范围内，电导率达到100.22S·cm-1至101.04S·cm-1，平均热膨胀系数为14.4×10-6K-1，这种组合显示出了良好的综合性能。
这种复合材料策略为优化SOFC阴极性能提供了一种新方法，通过复合设计可以兼顾导电性和热膨胀性能，对于开发适用于中温操作环境的燃料电池阴极材料具有重要意义。未来的研究可能会进一步探索更优的组分比例，以及如何通过精细调控材料的微观结构来优化这些性能。
http://www.paper.edu.cn
- 1 -
组成对 La
2
NiO
4+δ
-La
0.6
Sr
0.4
Co
0.2
Fe
0.8
O
3-δ
复合阴极材
料导电性能与热膨胀性能的影响
1
石海，常贵阳
武汉理工大学材料科学与工程学院，武汉（430070）
E-mail: shihaihuade@163.com
摘 要 ： 本文选择 La
2
NiO
4+δ
与 La
0.6
Sr
0.4
Co
0.2
Fe
0.8
O
3-δ
为组元，设计并制备出
(100-x)wt.%La
2
NiO
4+δ
+xwt.% La
0.6
Sr
0.4
Co
0.2
Fe
0.8
O
3-δ
(x=10, 30, 50) 复合体系阴极材料，研究
了组成对复合体系阴极材料导电性能与热膨胀性能的影响。研究结果表明：复合阴极在
1450℃烧结 4h 无明显化学反应，说明两组元具有良好的化学相容性。随复合体系陶瓷中
La
0.6
Sr
0.4
Co
0.2
Fe
0.8
O
3-δ
组元相对含量的增加，复合体系陶瓷样品的总电导率提高、热膨胀系
数增大。 x=30 的组成具有较优良的综合性能：在中温（600℃-800℃）范围内，总电导率
在 100.22 S·cm
-1
-101.04 S·cm
-1
，平均热膨胀系数为 14.4×10
-6
K
-1
。
关键词
：La
2
NiO
4+δ
-La
0.6
Sr
0.4
Co
0.2
Fe
0.8
O
3-δ
复合阴极；化学相容性；导电性能；热膨胀性能
中图分类号
： TQ174 ，TM911
1. 引言
La
2
NiO
4+δ
是一种 A
2
BO
4
型层状结构的氧化物，具有较合适的热膨胀系数（Thermal
Expansion Coefficient,TEC ，~13×10
-6
K
-1
）、优良的氧表面交换性能和氧离子迁移速率
[1-4]
，
在中温固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）阴极材料方面具有良好的应用前
景。然而，其中温范围（600℃-800℃）的总电导率较低，制约了应用的发展。近年来对于
La
2
NiO
4+δ
的研究集中在对其 A、B 位或双位协同取代，以期改善其导电性能，结果不是很
理想。国内外学者在降低具有较高热膨胀系数的混合导体的研究表明，通过与一种较低热膨
胀系数的氧化物复合，制备复合阴极材料是获得具有较低热膨胀系数材料的新途径。能否通
过选择 La
2
NiO
4+δ
与一种具有优良导电性能的氧化物，制备复合材料来获得一种兼有较合适
热膨胀系数和优良导电性能的体系材料，这是一个值得探索的问题。近十多年来，
La
1-x
Sr
x
Co
1-y
Fe
y
O
3-δ
体系材料因其具有优良的电子-离子混合导电性能
[6-8]
，是中温固体氧化物
燃料电池阴极材料的主要候选材料之一。La
1-x
Sr
x
Co
1-y
Fe
y
O
3-δ
体系阴极材料在中温范围的电
子电导率为 10
2
S·cm
-1
-10
3
S·cm
-1
，离子电导率为 10
-2
S·cm
-1
-10
0
S·cm
-1
，但该体系材料 TEC 较
高(15.0×10
-6
K
-1
-26.0×10
-6
K
-1
)。以 La
2
NiO
4+δ
和 La
0.6
Sr
0.4
Co
0.2
Fe
0.8
O
3-δ
为两组元制备复合阴极
材料的研究尚未见报导，因此尚需研究组成对复合体系材料结构与性能的影响，以获得具有
优良综合性能的阴极材料组成。
本文采用氨基多羧酸配合物
[9]
合成 La
2
NiO
4+δ
，甘氨酸- 硝酸盐法
[10]
合成
La
0.6
Sr
0.4
Co
0.2
Fe
0.8
O
3-δ
，通过机械混合均匀，制备复合阴极材料。研究组成对 LN-LSCF 体系
材料结构、导电性能和热膨胀性能的影响。
2. 实验
2.1 阴极粉体的制备
采用分析纯级的药品 La(OH)
3
、NiCO
3
·3Ni(OH)
2
·4H
2
O、C
14
H
23
N
3
O
10
，采用氨基多羧酸
配合物法合成 La
2
NiO
4+δ
（LN）粉体；采用分析纯级的药品 La(NO
3
)
3
·6H
2
O、Sr(NO
3
)
2
·6H
2
O、
1
本课题得到国家自然科学基金(50572079)资助。
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