致密的5%Al3+掺杂的SnP2O7-SnO2复合陶瓷在中温燃料电池中的应用

doi:10.3866/PKU.WHXB201302254

物理化学学报 >> 2013, Vol. 29 >> Issue (05): 953-958.doi: 10.3866/PKU.WHXB201302254

致密的5%Al³⁺掺杂的SnP₂O₇-SnO₂复合陶瓷在中温燃料电池中的应用

邓旭立, 赵冬梅, 丁佐龙, 马桂林

苏州大学材料与化学化工学部, 江苏省有机合成重点实验室, 苏州 215123

收稿日期:2012-12-20 修回日期:2013-02-25 发布日期:2013-04-24
通讯作者: 马桂林 E-mail:32uumagl@suda.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(20771079)和江苏高校优势学科建设工程资助项目

Dense 5%Al³⁺-Doped SnP₂O₇-SnO₂ Composite Ceramic for Application in Intermediate Temperature Fuel Cell

DENG Xu-Li, ZHAO Dong-Mei, DING Zuo-Long, MA Gui-Lin

Key Laboratory of Organic Synthesis of Jiangsu Province, College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science, Soochow University, Suzhou 215123, P. R. China

Received:2012-12-20 Revised:2013-02-25 Published:2013-04-24
Supported by:
The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (20771079) and Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions, China.

摘要/Abstract

摘要：

首先制备了未掺杂和5%(摩尔分数)Al³⁺掺杂SnO₂的多孔性基片, 然后将基片与85%的H₃PO₄在600℃下反应, 分别得到了致密的未掺杂和5%Al³⁺掺杂的SnP₂O₇-SnO₂复合陶瓷样品. 采用X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量色散谱(EDS)测试方法对样品进行了表征, 采用电化学阻抗谱法(EIS)测试了样品在中温(100-250℃)下, 湿润空气和湿润氢气气氛中的电导率. 结果表明, 在湿润空气和湿润氢气中, 5%Al³⁺掺杂的SnP₂O₇-SnO₂复合陶瓷样品的电导率均高于未掺杂的SnP₂O₇-SnO₂复合陶瓷样品的电导率, 且该复合陶瓷样品在湿润空气和湿润氢气中250℃下, 电导率分别达到最大值: 4.30×10^-2和6.25×10^-2 S·cm^-1, 高于至今报道的SnP₂O₇-SnO₂基复合陶瓷及SnP₂O₇基陶瓷在类似条件下的电导率. 以5%Al³⁺掺杂的SnP₂O₇-SnO₂复合陶瓷样品(厚度: 1.45 mm)为电解质, 多孔性铂为电极组装成的氢气/空气燃料电池具有良好的中温电池性能, 175、200、250℃的最大输出功率密度分别为52.0、61.9、82.3 mW·cm^-2. 良好的中温电池性能与该复合陶瓷电解质较高的电导率和致密度及该燃料电池较低的界面极化电阻有关.

关键词: 焦磷酸锡, 复合陶瓷, 电解质, 电导率, 燃料电池

Abstract:

Dense non-doped and 5% (molar fraction) Al³⁺-doped SnP₂O₇-SnO₂ composite ceramics were prepared by reacting non-doped and 5% Al³⁺-doped SnO₂ porous substrates, respectively, with 85% H₃PO₄ solution at 600℃. The composite ceramics were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive spectroscopy (EDS). Their conductivities in the intermediate temperature range of 100-250℃ in wet air and wet H₂ atmospheres were measured by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The conductivities of the 5% Al³⁺-doped SnP₂O₇-SnO₂ composite ceramic were higher than the conductivities of the non-doped SnP₂O₇-SnO₂ composite ceramic and reached 4.30×10^-2 S·cm^-1 in wet air and 6.25×10^-2 S·cm^-1 in wet H₂ at 250℃. These values are higher than those of the SnP₂O₇-SnO₂ based composite ceramic and SnP₂O₇-based ceramics under similar conditions. An H₂/air fuel cell containing the 5% Al³⁺-doped SnP₂O₇-SnO₂ composite ceramic as an electrolyte (thickness: 1.45 mm) and porous platinum as electrodes exhibited satisfactory cell performance. The maximum output power densities of this cell were 52.0 mW·cm^-2 at 175℃, 61.9 mW·cm^-2 at 200℃ and 82.3 mW·cm^-2 at 250℃. Such good performance is related to the high conductivity and sufficient density of the composite ceramic electrolyte as well as the low interfacial polarization resistance of the cell.

Key words: SnP₂O₇, Composite ceramic, Electrolyte, Conductivity, Fuel cell

邓旭立, 赵冬梅, 丁佐龙, 马桂林. 致密的5%Al³⁺掺杂的SnP₂O₇-SnO₂复合陶瓷在中温燃料电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2013, 29(05), 953-958. doi: 10.3866/PKU.WHXB201302254

DENG Xu-Li, ZHAO Dong-Mei, DING Zuo-Long, MA Gui-Lin. Dense 5%Al³⁺-Doped SnP₂O₇-SnO₂ Composite Ceramic for Application in Intermediate Temperature Fuel Cell[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2013, 29(05), 953-958. doi: 10.3866/PKU.WHXB201302254

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201302254

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2013/V29/I05/953

参考文献

(1) Steele, B. C. H.; Heinzel, A. Nature 2001, 414, 345. doi: 10.1038/35104620
(2) Haile, S. M.; Boysen, D. A.; Chisholm, C. R. I.; Merle, R. B.Nature 2001, 410, 910. doi: 10.1038/35073536
(3) Norby, T. Nature 2001, 410, 877. doi: 10.1038/35073718
(4) Fu, X. Z.; Luo, J. L.; Sanger, A. R.; Luo, N.; Chuang, K. T.J. Power Sources 2010, 195, 2659. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.10.069
(5) Chen, D. J.; Ran, R.; Shao, Z. P. J. Power Sources 2010, 195,4667. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.01.082
(6) Wu, Y. Z.; Dong, D. H.; Ran, R.; Zeng, Y.;Wang, K.; Shao, Z.P.;Wang, H. T. J. Am. Ceram. Soc. 2011, 94, 3666. doi: 10.1111/jace.2011.94.issue-11
(7) Wang, M. Y.; Qiu, L. G.; Ma, G. L. Chin. J. Chem. 2007, 25,1273.
(8) Liu, J.W.; Zhou, D. F.; Yang, M.; Luo, F.; Meng, J. ActaPhys. -Chim. Sin. 2012, 28, 1380. [刘建伟, 周德凤, 杨梅,罗飞, 孟健. 物理化学学报, 2012, 28, 1380.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201203304
(9) Iwahara, H.; Asakura, Y.; Katahira, K.; Tanaka, M. Solid StateIonics 2004, 168, 299. doi: 10.1016/j.ssi.2003.03.001
(10) Baker, R. T.; Salar, R.; Potter, A. R.; Metcalfe, I. S.; Sahibzada,M. J. Power Sources 2009, 191, 448. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.02.039
(11) Li, Y. Z.; Kunitake, T.; Aoki, Y.; Muto, E. Adv. Mater. 2008, 20,2398. doi: 10.1002/adma.v20:12
(12) Yang, J. F.; Cheng, J. G.; Fan, Y. M.;Wang, R.; Gao, J. F. ActaPhys. -Chim. Sin. 2012, 28, 95. [杨俊芳, 程继贵, 樊玉萌,王睿, 高建峰. 物理化学学报, 2012, 28, 95.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201111161
(13) Wang, H. T.; Liu, J.W.;Wang,W. B.; Ma, G. L. J. PowerSources 2010, 195, 5596. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.03.087
(14) Wang, H. T.; Zhang, H. M.; Xiao, G. X.; Zhang, F.; Yu, T.; Xiao,J.; Ma, G. L. J. Power Sources 2011, 196, 683. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.07.067
(15) Nagao, M.; Kamiya, T.; Heo, P.; Tomita, A.; Hibino, T.; Sano,M. J. Electrochem. Soc. 2006, 153, A1604.
(16) Lan, R.; Tao, S.W. J. Alloy. Compd. 2009, 486, 380. doi: 10.1016/j.jallcom.2009.06.203
(17) Sun, X. F.;Wang, S. R.;Wang, Z. R.; Ye, X. F.;Wen, T. L.;Huang, F. Q. Solid State Ionics 2008, 179, 1138. doi: 10.1016/j.ssi.2008.01.046
(18) Alberti, G.; Casciola, M.; Cavalaglio, S.; Vivani, R. Solid StateIonics 1999, 125, 91. doi: 10.1016/S0167-2738(99)00162-9
(19) Tomita, A.; Kajiyama, N.; Kamiya, T.; Nagao, M.; Hibino, T.J. Electrochem. Soc. 2007, 154, B1265.
(20) Wang, H. T.; Sun, L.; Chen, J. T.; Luo, C. H. Acta Phys. -Chim.Sin. 2012, 28, 2893. [王洪涛, 孙林, 陈继堂, 罗春华. 物理化学学报, 2012, 28, 2893.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201210101
(21) Zhang, H. M.; Xiao, J.; Yang, Z. J.;Wang, H. T.; Ma, G. L.Chin. J. Chem. 2012, 30, 1826. doi: 10.1002/cjoc.v30.8
(22) Gover, R. K. B.;Withers, N. D.; Allen, S.;Withers, R. L.;Evans, J. S. O. J. Solid State Chem. 2002, 166, 42. doi: 10.1006/jssc.2002.9554
(23) Phadke, S. R.; Bowers, C. R.;Wachsman, E. D.; Nino, J. C.Solid State Ionics 2011, 183, 26. doi: 10.1016/j.ssi.2010.12.011
(24) Xiao, J.; Zhang, H. M.; Yang, Z. J.;Wang, H. T.; Ma, G. L.;Zhou, Z. F. J. Alloy. Compd. 2012, 521, 106. doi: 10.1016/j.jallcom.2012.01.058
(25) Sato, Y.; Shen, Y.; Nishida, M.; Kanematsu,W.; Hibino, T.J. Mater. Chem. 2012, 22, 3973. doi: 10.1039/c2jm15335a
(26) Shen, Y.; Nishida, M.; Kanematsu,W.; Hibino, T. J. Mater.Chem. 2011, 21, 663. doi: 10.1039/c0jm02596h
(27) Wang, H. T.; Zhao, D. M.; Ding, Z. L.; Deng, X. L.; Ma, G. L.J. Power Sources 2013, 222, 467. doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.09.001
(28) Wang, H. T.; Xiao, J.; Zhou, Z. F.; Zhang, F.; Zhang, H. M.; Ma,G. L. Solid State Ionics 2010, 181, 1521. doi: 10.1016/j.ssi.2010.08.029
(29) Tao, S.W. Solid State Ionics 2009, 180, 148. doi: 10.1016/j.ssi.2008.11.006

[1]	薛国勇, 李静, 陈俊超, 陈代前, 胡晨吉, 唐凌飞, 陈博文, 易若玮, 沈炎宾, 陈立桅. 单离子聚合物快离子导体[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2205012 -0 .
[2]	陈帅, 余创, 罗启悦, 魏超超, 李莉萍, 李广社, 程时杰, 谢佳. 卤化物固态电解质研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2210032 -0 .
[3]	兰畅, 楚宇逸, 王烁, 刘长鹏, 葛君杰, 邢巍. 质子交换膜燃料电池阴极非贵金属M-N_x/C型氧还原催化剂研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2210036 -0 .
[4]	屈卓研, 张笑银, 肖茹, 孙振华, 李峰. 有机硫化合物在锂硫电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2301019 -0 .
[5]	刘元凯, 余涛, 郭少华, 周豪慎. 高性能硫化物基全固态锂电池设计：从实验室到实用化[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2301027 -0 .
[6]	彭林峰, 余创, 魏超超, 廖聪, 陈帅, 张隆, 程时杰, 谢佳. 锂硫银锗矿固态电解质研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(7): 2211034 -0 .
[7]	荣佑文, 桑佳琪, 车丽, 高敦峰, 汪国雄. 二氧化碳电催化还原中的电解质效应[J]. 物理化学学报, 2023, 39(5): 2212027 -0 .
[8]	张婧雯, 马华隆, 马军, 胡梅雪, 李启浩, 陈胜, 宁添姝, 葛创新, 刘晰, 肖丽, 庄林, 张熠霄, 陈立桅. 碱性聚合物电解质膜的表面锥形阵列结构提升燃料电池性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(2): 2111037 -0 .
[9]	王匡宇, 刘凯, 伍晖. 基于固态电解质的熔融碱金属电池研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(12): 2301009 - .
[10]	滕浩天, 王文涛, 韩晓峰, 郝翔, 杨瑞枝, 田景华. 柔性锌-空气电池进展与展望[J]. 物理化学学报, 2023, 39(1): 2107017 -0 .
[11]	崔同慧, 李航越, 吕泽伟, 王怡戈, 韩敏芳, 孙再洪, 孙凯华. 大尺寸固体氧化物燃料电池的电极过程解析方法[J]. 物理化学学报, 2022, 38(8): 2011009 - .
[12]	韩爱娣, 闫晓晖, 陈俊任, 程晓静, 章俊良. 分散溶剂对PEMFC催化层中超薄Nafion离聚物质子传导的影响[J]. 物理化学学报, 2022, 38(3): 1912052 - .
[13]	虞鑫润, 马君, 牟春博, 崔光磊. 高锂离子电导的有机-无机复合电解质的渗流结构设计[J]. 物理化学学报, 2022, 38(3): 1912061 - .
[14]	何子旭, 陈亚威, 黄凡洋, 揭育林, 李新鹏, 曹瑞国, 焦淑红. 氟代溶剂在锂金属电池中的应用[J]. 物理化学学报, 2022, 38(11): 2205005 - .
[15]	王健, 丁炜, 魏子栋. 超低铂用量质子交换膜燃料电池[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 2009094 - .

致密的5%Al³⁺掺杂的SnP₂O₇-SnO₂复合陶瓷在中温燃料电池中的应用

Dense 5%Al³⁺-Doped SnP₂O₇-SnO₂ Composite Ceramic for Application in Intermediate Temperature Fuel Cell

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