[01702722]纳米复合质子导电材料的制备及电化学性能研究

纳米材料的合成与应用正得到越来越广泛的关注。将纳米材料的合成与制备技术引进到固体电化学材料的研究中，是这个研究领域的发展趋势。在纳米电子学和纳米离子学的快速发展中，采用先进的纳米制备技术来改造已有的材料，同时探索开发新的纳米材料在固体电化学领域的应用，将是该领域科研工作者下一步主要的科研方向。该课题组在3年的项目研究阶段，共发表学术论文36篇，其中SCI收录论文14篇（影响因子大于3的有3篇），取得国家发明专利一项，出版译著《纳米材料电化学》一部，获黑龙江省高校科学技术奖一等奖一项。主要开展了两方面研究内容： 一、纳米复合质子及质子－电子混合导体材料的研究。 采用原位化学反应的方法制备了Nafion®-纳米氧化物复合质子导电膜，详细探讨了水热处理对Nafion®及Nafion®-氧化物复合膜的结构和电化学性能的影响。结果表明：TiO2的质量分数在14％以内可以提高Nafion®膜保持水的能力，甲醇透过率随TiO2掺杂量的增多而减少。TiO2、SiO2、ZrO2无机氧化物粒子的掺杂使Nafion®膜无定型相的比例增大。水热处理后Nafion®及其复合膜总体结构不变，复合膜中的TiO2、ZrO2在水热处理后有晶型的改变，但对电化学性能没有明显的影响。水热处理大幅度提高Nafion®及其复合膜的电导率、热稳定性以及酸稳定性。 在此工作基础上，采用水热及溶胶-凝胶法制备了纳米氧化铈、氧化钛、氧化钨、氧化铁、氧化锌、氧化镁水溶胶，并与Nafion®以及20wt％Pt/C复合得到质子－电子混合导体材料，考察其作为DMFC阳极的电化学性能。测试结果表明氧化物粒子的结晶尺寸、形貌、结构和价态均对复合电极的甲醇催化氧化性能产生影响。在各种复合电极中，CeO2-Pt/C电极具有最好的电化学性能。50wt％CeO2掺杂电极在1M甲醇中的催化氧化电流密度达到120 mA/cm2，优于商售产品E-TEK的60 mA/cm2的指标。 二、纳米复合氧离子－电子混合导体材料的研究。 鉴于纳米导电材料在固体氧化物燃料电池中的应用得到迅猛发展，我们开展了相关纳米材料的合成及电化学性能的研究工作，探索钙钛矿结构复合氧化物在高温下的电化学性能。在La0.8Sr0.2MnO3-Ce0.7Bi0.3O1.85体系中发现，当两种组成的氧化物具有合适的比例时，极化电阻减小到1.7ohm.cm-2，与目前最好的LSM-CGO材料性能相当。而当LSCF替换LSM与CBO形成复合阴极，电极的整体性能得到很大改善，极化电阻减小到0.2 ohm.cm-2。我们还研究了Ln2-xSrxMO4 (Ln＝La、Sm、Nd；M＝Ni、Cu) 四个体系的SOFC阴极材料，电化学性能测试结果显示，La1.7Sr0.3CuO4阴极材料在空气中700 oC下的极化电阻为0.16 ohm.cm2，预示着这类材料在SOFC领域中有着较好的应用前景。