摘 要

固体氧化物燃料电池SOFC是一种很有前途的新型电池。在面临能源危机、环境污染的今天，SOFC电池以它高燃料利用率、高效率以及环境友好的特点备受关注。SOFC电池大多在高温下运行，这对电池的原材料及各方面性能都提出了很高的要求。为此，SOFC电池的低温化成为其商业化的重要途径之一。

磷灰石型硅酸镧是一种在中低温下就能具有较高的电导率的新型电解质。与其他中低温电解质材料相比，它成本低廉，且拥有良好的氧离子电导率。目前制备硅酸镧的方法虽然很多，但是大多操作复杂，且成本较高，不适合大规模制备。

本文中，先采用熔盐法制备得到沿c轴取向生长的片状LaCO₃OH，随后利用正硅酸四乙酯在碱性条件中的水解缩聚反应，在LaCO₃OH的表面包裹SiO₂，最后通过固相反应制备得到六方片状硅酸镧。通过XRD、SEM和TEM对实验得到的产物进行表征。

关键词：固体氧化物燃料电池；电解质；硅酸镧；高取向；氢氧化镧

Preparation and structural properties of the rod like apatite type lanthanum silicate

Abstract

Solid Oxide Fuel Cell SOFC is a promising new battery. In the face of energy crisis, environmental pollution today, SOFC battery with its high fuel efficiency, high efficiency and environment-friendly features have been closely watched. SOFC batteries are mostly running at high temperatures, which the battery's raw materials and all aspects of performance are made a very high demand. To this end, SOFC battery low temperature of its commercial one of the important ways.

Apatite lanthanum silicate is a new type of electrolyte with high conductivity at low and medium temperature. Compared with other low-temperature electrolyte materials, it is low cost, and has a good oxygen ion conductivity. At present, there are many methods for preparing lanthanum silicate, but most of them are complicated and costly, and are not suitable for large-scale preparation.

In this paper, lanthanum hydroxide grown in the c-axis orientation was prepared by melt-salt method, followed by hydrolysis and polycondensation of tetraethyl orthosilicate in alkaline condition, and the SiO2 was encapsulated on the surface of lanthanum hydroxide. Finally, The lanthanum lanthanum was prepared by solid phase reaction.

key word: solid oxide fuel cell; electrolyte; lanthanum silicate; high orientation; lanthanum hydroxide

目 录

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 燃料电池 1

1.2.1 燃料电池简介 1

1.2.2 燃料电池的类型 1

1.3 固体氧化物燃料电池（SOFC） 3

1.3.1 SOFC简介 3

1.3.2 SOFC的结构和工作原理 3

1.3.3 SOFC开发面临的问题 4

1.4 常用SOFC电解质材料 4

1.4.1 萤石结构电解质 4

1.4.2 钙钛矿结构电解质 5

1.4.3 磷灰石结构电解质 5

1.5 硅酸镧 6

1.5.1硅酸镧结构和导电机理 6

1.5.2 硅酸镧电解质材料的制备方法 8

1.6 课题的研究意义及内容 8

1.6.1 研究意义 8

1.6.2 研究内容 9

第二章 实验部分 10

2.1 引言 10

2.2 硅酸镧电解质的制备思路 10

2.3 实验原材料及仪器设备 11

2.3.1 实验原材料 11

2.3.2 实验仪器设备 12

2.4 制备硅酸镧电解质的实验流程 13

2.5 制备硅酸镧电解质的实验操作 14

2.5.1 LaCO₃OH的制备 14

2.5.2 LaCO₃OH@SiO₂的制备 14

2.5.3 硅酸镧的制备 14

2.6 小结 15

第三章 结果和讨论 16

3.1 引言 16

3.2 LaCO₃OH的表征与讨论 16

3.3 LaCO₃OH@SiO₂的表征与讨论 18

3.4 硅酸镧的表征与讨论 19

3.5 小结 24

第四章 结论与展望 25

4.1 结论 25

4.2 本文的创新之处 25

4.3 展望 26

参考文献 27

致谢 30

第一章 绪论

1.1 引言

从工业革命至今，能源危机导致的社会危机也变得愈发严重。伴随着化石燃料资源的日益枯竭，以石油这一能源为基础发展起来的化工行业陷入了日益严重的资源短缺所带来的困境中。为此，高效节能环保的新能源的发现得到了高度重视。自1973年以来，人类开采了800亿吨石油，约占当时储量的85%^[1]。虽然探测技术的更迭提高了石油的总体储备，但是根据目前的石油使用能力计算，石油资源将在40年后枯竭。不仅如此，石油行业本身也存在着效率低下和污染严重的问题，给人类生存环境带来了巨大风险。目前，中国传统发电方式约占80%，这些发电大多是热机过程发电，卡诺循环更是限制了热机发电效率，且在运行过程中产生了大量有毒有害物质污染环境。为了解决对于传统化石能源的依赖以及建立一个绿色的可以循环工业体系，人们迫切需要寻找一种绿色高效的发电方式。其中，燃料电池由于高效率、污染小、噪声低，可靠性高的优点而受到广泛关注，被认为是一种极具潜力的发电方式^[2]。

1.2 燃料电池

1.2.1 燃料电池简介

与传统热机发电不同，卡诺循环不适用于燃料电池，它是一种能够将化学能直接转化为电能的装置。和 其他发电方式相比，燃料电池工作时产生的噪声小，没有有毒有害气体产生，具有高效率、低污染、良好的操作性。其优异的性能引起了科学家的关注。

1.2.2 燃料电池的类型

1839年，英国人格罗夫利用氢和氧的反应成功组装了第一台燃料电池发电装置，证明了燃料电池的可行性^[3]。遗憾的是，在之后的100年里，由于技术水平的限制和化石资源的发现，燃料电池领域陷入停顿。直到20世纪50年代，美国开始了一系列登月行动，燃料电池由于持久的稳定性和续航能力受到了关注。燃料电池被休斯顿宇航局采用为登月飞船的能源，为阿波罗登月计划提供了基础^[22]。70年代的石油危机导致的一系列社会危机，被认为是发展新能源材料的契机。此后，随着世界各国对燃料电池领域的资金投入，燃料电池的发展突飞猛进，各种各样的新型材料被应用到电池中，催生了许许多多的种类，燃料电池的各方面性能都得到了提升。到目前为止，大量不同种类的燃料电池被应用到人类的生活之中。燃料电池可以根据其电解质的不同来分类，主要有五种，包括：碱性燃料电池（AFC）、磷酸盐燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）^[4]。不同类型的燃料电池使用的电解质、燃料、电极材料不同，应用领域也有差别，图1-1展示的是这些电池的具体结构与应用。

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