铜钐共掺氧化铈粉末的制备与表征【字数：10127】
摘 要固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种可将燃料的化学能直接转化为电能的转换装置,它具有转换效率高,清洁无污染,燃料选择灵活性等优点。但直接以碳氢气体作燃料时，会在电池阳极产生积碳现象，致使燃料电池通道堵塞，乃至造成电池输出性能的衰减。Cu和SDC复合物具有良好的抗积碳性能和催化活性，但由于受到CuO低熔点的影响，含Cu和SDC的阳极往往只能用工艺复杂的浸渍法制备，离子共掺是解决问题的有效途径之一。因此本文拟采用离子掺杂来制备出铜钐共掺杂氧化铈粉末，对其结构进行表征，以探讨其作为燃料电池阳极的可行性。
目 录
1.引言 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 固体氧化物燃料电池 1
1.1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）工作原理 1
1.1.3 固体氧化物燃料电池（SOFC）工作特点 1
1.2 研究现状 2
1.3 研究目的 3
1.4 研究方法 3
2.CSCO粉末制备 4
2.1 CSCO粉末制备过程及研究方法 4
2.1.1 粉末制备实验原料 4
2.1.2 粉末制备实验仪器 4
2.1.3 实验步骤 5
3.铜钐共掺杂氧化铈粉末（CSCO）的表征 10
3.1 CSCO粉末表征方法 10
3.1.1 粉末表征的意义 10
3.1.2 仪器介绍 10
3.2 粉末X射线衍射结果 11
3.2.1 X射线衍射图谱 11
3.3 粉末透射电子显微镜分析结果 13
结语 15
参考文献 16
致谢 17
1． 引言
1.1 研究背景
1.1.1 固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种在高温下[1]，可以将贮存在燃料中的化学能直接转化为电能的装配。它作为一种发电装置，有着非常明显的优势，比如可以利用不同的燃料，像氢气和碳氢化合物等产生的是不污染环境的水和二氧化碳[2]。固体氧化物燃料电池的工作温度比以往的高，以往在 600℃1000 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
℃之间，能量转换效力可以到达 70%，是今天传统发电工艺的两倍，并且有20%的热吸收率，可实现高效力的热电联供；由于电池的各个部分均为全固态，因此不存在漏液、污染等问题[3]。
1.1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）工作原理
SOFC装置主要由三部分构成：多孔阳极、致密电解质以及多孔阴极。
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图1.1 SOFC工作原理图
阴极一般是一种贵金属或者有良好电子电导的氧化物，高温时催化氧气发生还原反应：
1/2O2 + 2e→O2(1.1)
阳极在高温下催化燃料（氢气、一氧化碳或碳氢化合物）发生氧化反应：
H2 + O2→H2O + 2e(1.2)
CO + O2→CO2+2e (1.3)
CxHy+ (2x+y/2)O2→ y/2H2O + x CO2+ (4x+y)e(1.4)
1.1.3 固体氧化物燃料电池（SOFC）工作特点
固体氧化物燃料电池（SOFC）除了具有一般燃料电池的优点外，还具有以下特点[4]：
第一、它的操作温度在800℃~1000℃之间，相对来说，是比较高的。固体氧化物燃料电池之所以能简化实验体系，是因为它在原有的基础上，实现了电池内部的燃料重整转化进程；除此之外，还可以实现热电联供，因为研究表明，在反应过程中产生的大量余热，其温度是相当高的。目前整个系统的总效率提高到了70%~80%。然而另一方面，高的温度也给操纵带来了很大的难度，比方说在材料的选取方面，对其要求就比较高。另外高温也给电池的组装带来了困难，因为在高温状态下，电池密封工作的难度也随之大大提高。
第二、固体氧化物燃料电池（SOFC）采用全固体组件，具有相当紧凑的结构和稳定的固体电解质，一些问题可以有效避免[5]，像液态电解质对侵蚀系统以及电解液的流失这种问题，就不会出现，因此实现长久运行的可能性就比较大。
第三、固体氧化物燃料电池（SOFC）对燃料气的纯度没有特别高的要求，相比较于其他类型的电池，固体氧化物燃料电池燃料中的杂质（如硫）含量可以高出几个数量级，因此即使使用重质燃料，也没有太大问题。因此在天然气发电和洁净煤发电方面，固体氧化物燃料电池发挥着独特的作用。
第四、必须利用珍贵金属作为催化剂的问题得到了解决，电池的成本大大减少，此外在很大程度上避免了催化剂的中毒。
第五、固体氧化物燃料电池（SOFC）对环境是几乎没有污染的。如果以氢气作为燃料的话，产物中只有水，因此没有污染物的排放；如果以碳基燃料作为燃料的话，只会生成少量的一氧化碳、二氧化碳和水，不会额外产生污染环境的物质。另外，在发电过程中产生的声音很小，因此不会产生噪声污染。
1.2 研究现状
根据固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）的工作原理，理论上只要能被O2氧化的气体均能作为SOFC的燃料[6]。与其他的燃料电池相比较，固体氧化物燃料电池可以把更加方便的碳氢气体作为燃料是其最主要的长处之一。
如今我们经常把金属陶瓷复合成阳极，是因为其中的Ni对氢气有很高的活性，但是如果直接把烃类或醇类作燃料的话，积碳反应就会在阳极产生。积碳不仅会使阳极的活性下降，造成电池输出性能的衰减，并且会堵塞燃料的传输通道，使电池不能正常运行。因此目前人们仍然把研究的重点放在抗积碳的阳极材料上。
为了解决金属陶瓷复合阳极材料存在缺点的问题[7]，引入了具备萤石结构和钙钛矿结构的氧化物，参与到阳极的制备中，并针对积碳现象的问题解决做了大量研究。但是仅仅是将氧化物作为阳极还是存在问题，由于其没有较高的电子电导率，要想取得比较好的电性能也不是那么容易。
Sm或Gd掺杂的CeO2基材料由于对碳氢气体具有较高的催化活性而被应用于SOFC阳极中[8]，但是CeO2基材料没有单独作为阳极材料，因为一般来说，电极材料应具有导电性大于1S/cm，而在1073K，Gd掺杂氧化铈导电性仅为0.08S/cm。因此要直接以掺杂的CeO2基材料作为阳极，必须在保证其催化活性的同时提高其电子电导率。有研究表明，少量Cu掺杂可以改善CeO2基氧化物的催化活性和导电性[9]。
目 录
1.引言 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 固体氧化物燃料电池 1
1.1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）工作原理 1
1.1.3 固体氧化物燃料电池（SOFC）工作特点 1
1.2 研究现状 2
1.3 研究目的 3
1.4 研究方法 3
2.CSCO粉末制备 4
2.1 CSCO粉末制备过程及研究方法 4
2.1.1 粉末制备实验原料 4
2.1.2 粉末制备实验仪器 4
2.1.3 实验步骤 5
3.铜钐共掺杂氧化铈粉末（CSCO）的表征 10
3.1 CSCO粉末表征方法 10
3.1.1 粉末表征的意义 10
3.1.2 仪器介绍 10
3.2 粉末X射线衍射结果 11
3.2.1 X射线衍射图谱 11
3.3 粉末透射电子显微镜分析结果 13
结语 15
参考文献 16
致谢 17
1． 引言
1.1 研究背景
1.1.1 固体氧化物燃料电池
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种在高温下[1]，可以将贮存在燃料中的化学能直接转化为电能的装配。它作为一种发电装置，有着非常明显的优势，比如可以利用不同的燃料，像氢气和碳氢化合物等产生的是不污染环境的水和二氧化碳[2]。固体氧化物燃料电池的工作温度比以往的高，以往在 600℃1000 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
℃之间，能量转换效力可以到达 70%，是今天传统发电工艺的两倍，并且有20%的热吸收率，可实现高效力的热电联供；由于电池的各个部分均为全固态，因此不存在漏液、污染等问题[3]。
1.1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）工作原理
SOFC装置主要由三部分构成：多孔阳极、致密电解质以及多孔阴极。
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图1.1 SOFC工作原理图
阴极一般是一种贵金属或者有良好电子电导的氧化物，高温时催化氧气发生还原反应：
1/2O2 + 2e→O2(1.1)
阳极在高温下催化燃料（氢气、一氧化碳或碳氢化合物）发生氧化反应：
H2 + O2→H2O + 2e(1.2)
CO + O2→CO2+2e (1.3)
CxHy+ (2x+y/2)O2→ y/2H2O + x CO2+ (4x+y)e(1.4)
1.1.3 固体氧化物燃料电池（SOFC）工作特点
固体氧化物燃料电池（SOFC）除了具有一般燃料电池的优点外，还具有以下特点[4]：
第一、它的操作温度在800℃~1000℃之间，相对来说，是比较高的。固体氧化物燃料电池之所以能简化实验体系，是因为它在原有的基础上，实现了电池内部的燃料重整转化进程；除此之外，还可以实现热电联供，因为研究表明，在反应过程中产生的大量余热，其温度是相当高的。目前整个系统的总效率提高到了70%~80%。然而另一方面，高的温度也给操纵带来了很大的难度，比方说在材料的选取方面，对其要求就比较高。另外高温也给电池的组装带来了困难，因为在高温状态下，电池密封工作的难度也随之大大提高。
第二、固体氧化物燃料电池（SOFC）采用全固体组件，具有相当紧凑的结构和稳定的固体电解质，一些问题可以有效避免[5]，像液态电解质对侵蚀系统以及电解液的流失这种问题，就不会出现，因此实现长久运行的可能性就比较大。
第三、固体氧化物燃料电池（SOFC）对燃料气的纯度没有特别高的要求，相比较于其他类型的电池，固体氧化物燃料电池燃料中的杂质（如硫）含量可以高出几个数量级，因此即使使用重质燃料，也没有太大问题。因此在天然气发电和洁净煤发电方面，固体氧化物燃料电池发挥着独特的作用。
第四、必须利用珍贵金属作为催化剂的问题得到了解决，电池的成本大大减少，此外在很大程度上避免了催化剂的中毒。
第五、固体氧化物燃料电池（SOFC）对环境是几乎没有污染的。如果以氢气作为燃料的话，产物中只有水，因此没有污染物的排放；如果以碳基燃料作为燃料的话，只会生成少量的一氧化碳、二氧化碳和水，不会额外产生污染环境的物质。另外，在发电过程中产生的声音很小，因此不会产生噪声污染。
1.2 研究现状
根据固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）的工作原理，理论上只要能被O2氧化的气体均能作为SOFC的燃料[6]。与其他的燃料电池相比较，固体氧化物燃料电池可以把更加方便的碳氢气体作为燃料是其最主要的长处之一。
如今我们经常把金属陶瓷复合成阳极，是因为其中的Ni对氢气有很高的活性，但是如果直接把烃类或醇类作燃料的话，积碳反应就会在阳极产生。积碳不仅会使阳极的活性下降，造成电池输出性能的衰减，并且会堵塞燃料的传输通道，使电池不能正常运行。因此目前人们仍然把研究的重点放在抗积碳的阳极材料上。
为了解决金属陶瓷复合阳极材料存在缺点的问题[7]，引入了具备萤石结构和钙钛矿结构的氧化物，参与到阳极的制备中，并针对积碳现象的问题解决做了大量研究。但是仅仅是将氧化物作为阳极还是存在问题，由于其没有较高的电子电导率，要想取得比较好的电性能也不是那么容易。
Sm或Gd掺杂的CeO2基材料由于对碳氢气体具有较高的催化活性而被应用于SOFC阳极中[8]，但是CeO2基材料没有单独作为阳极材料，因为一般来说，电极材料应具有导电性大于1S/cm，而在1073K，Gd掺杂氧化铈导电性仅为0.08S/cm。因此要直接以掺杂的CeO2基材料作为阳极，必须在保证其催化活性的同时提高其电子电导率。有研究表明，少量Cu掺杂可以改善CeO2基氧化物的催化活性和导电性[9]。
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