鎳-鐵-鎵酸鑭復合陽極物相研究

賀瓊(山東工業(yè)技師學院，山東 濰坊 261053)

鎵酸鑭是具有高氧離子電導率與高氧離子遷移數(shù)一種中溫下的電解質(zhì)材料，被廣泛應用于中溫固體氧化物燃料電池（ITSOFC）的研究[1]。鎳是目前以鎵酸鑭為電解質(zhì)的ITSOFC中最常用的陽極材料。

在高溫及高電流密度下純鎳易發(fā)生燒結(jié)并且易與電解質(zhì)界面發(fā)生反應，故鎳陽極的穩(wěn)定性與活性強烈依賴于電極的組成、制備條件以及電極/電解質(zhì)界面的性質(zhì)。電子探針研究表明，高溫下Ni與LSGM之間存在明顯的化學反應，增加陽極與電解質(zhì)的接觸電阻，降低陽極的電化學活性。

由于目前文獻所研究的多為氧化氣氛下的NiO與鎵酸鑭之間的反應，且考察的溫度遠高于通常的電極制備與測試溫度[2]，與實際電池體系有偏離很大，因此研究接近于實際體系的電池中Ni與鎵酸鑭的反應對于鎵酸鑭體系燃料電池陽極的開發(fā)具有重要的意義。

本文章利用XRD技術(shù)考察了電極組分對復合陽極中Ni-Fe與鎵酸鑭相容性的影響?？隙随?鎵酸鑭作為一種穩(wěn)定的陽極材料的可行性，并優(yōu)化出了高穩(wěn)定性的Ni-Fe-鎵酸鑭復合陽極材料。

1 Ni-Fe合金陽極

制備了Ni、Fe配比分別為10:0，8:2和5:5的合金陽極，電極在1473K、空氣中焙燒2h得到氧化態(tài)的電極。

圖1為氧化態(tài)的Ni-Fe復合金屬陽極(沒有摻雜鎵酸鑭粉末的Ni-Fe電極)的XRD譜圖，由圖中可以觀察到，純Ni電極主要由NiO(01-075-0197)組成，隨著電極中Fe的摻入，電極的物相逐漸發(fā)生變化。在Ni、Fe配比為8:2的復合金屬陽極中出現(xiàn)了新的峰，即Fe的摻入為電極中引入了新的物相Ni1.25Fe1.85O4(01-088-0380)。隨著電極中Fe含量的升高，各個峰強度逐漸發(fā)生變化，可以判斷出，Ni-Fe復合金屬陽極氧化態(tài)為Ni1.25Fe1.85O4和NiO的混合物。當Ni、Fe配比達到5:5時，復合金屬陽極的譜圖中各個峰的強度關(guān)系已與Ni1.25Fe1.85O4基本相同，說明此時電極的主要成分為Ni1.25Fe1.85O4。

將上述電極于1248K通氫還原20min后得到的XRD譜圖示于圖3-2。圖中可以觀察到，純Ni電極還原后以Ni單質(zhì)的形式存在。Ni5-Fe5、Ni8-Fe2電極衍射峰與純Ni電極極為相似，但衍射峰的位置隨著電極中Fe的摻入向低角度發(fā)生偏移。比照標準PDF卡片可以發(fā)現(xiàn)，Ni-Fe電極的物相與Ni3Fe(01-088-1715)合金一致譜圖中沒有觀察到Fe的衍射峰的存在，表明電極中Fe已經(jīng)完全溶入了Ni的晶格中，形成單一的相。

圖1 氧化態(tài)的Ni-Fe復合金屬陽極XRD譜圖

圖2 還原態(tài)的Ni-Fe復合金屬陽極XRD譜圖

2 Ni-Fe-LSGMC8.5復合陽極

在研究了Ni-Fe合金陽極物相的基礎(chǔ)上，進一步研究了不同Ni、Fe配比的Ni-Fe-LSGMC8.5復合陽極的物相特點。電極中摻雜的LSGMC8.5粉末質(zhì)量百分含量為25%。

圖3為不同Ni、Fe配比的還原態(tài)Ni-Fe-LSGMC8.5復合陽極的XRD譜圖，與圖2相似，電極中的主要物相為Ni3Fe合金。隨著電極中Fe含量的升高，電極的主峰位置逐漸向低角度偏移。

除主峰外，圖3中在2θ為29.92°、31.25°、32.34°附近的位置可以觀察到三個較弱的峰。為詳細地分析雜相的變化，將29°-35°之間的譜圖放大得到圖3-5。2θ角為31.25°的峰可能為La2NiO4.18[3]，是Ni與LSGMC8.5粉末反應的產(chǎn)物；2θ角為29.92°的峰則是新形成的高電阻相SrLaGa3O7，是Ni與LSGMC8.5反應時伴隨產(chǎn)生的新物相。

圖3：Ni-Fe-LSGMC8.5復合陽極還原態(tài)的XRD譜圖

圖4：Ni-Fe-LSGMC8.5復合陽極還原態(tài)的XRD譜圖局部

由于峰強之比可以反映物質(zhì)質(zhì)量百分含量的變化[12]，為了詳細研究峰強與Ni、Fe配比的關(guān)系，進一步考察了譜圖中各個峰的峰強和相應的比值。電極中摻雜的LSGMC8.5粉末含量基本沒有發(fā)生變化，故以LSGMC8.5的峰做為參比，分析電極中各個物質(zhì)相對含量的變化。通過計算可得隨著Ni、Fe配比由9:1下降到5:5，SrLaGa3O7和LSGMC8.5兩峰比值由3.3迅速下降到0.2，而La2NiO4.18與LSGMC8.5粉末峰強的比值由3.2迅速下降到0.65，表明電極中Fe的摻雜可以抑制電極中Ni與鎵酸鑭粉末的反應，減少雜相的生成，從而提高Ni與鎵酸鑭的相容性。

3 結(jié)語

還原氣氛下，Ni與鎵酸鑭在高溫下可能會發(fā)生反應。在陽極中摻入Fe可以顯著抑制Ni與鎵酸鑭的反應，進而減少副反應的發(fā)生，提高電極的穩(wěn)定性。

[1]T.Ishihara,H.Matsuda,Y.Takita.Doped LaGaO3perovskite type oxide as a new oxide ionic conductor[J].J.Am.Chem.Soc.,1994,116(9):3801-3803.

[2]Gao Jie(高潔)，Wang Shi-Zhong(王世忠),He Qiong(賀瓊).Ni-Fe-LSGMC8.5復合陽極的研究[J].BatteryBimothly,2006,36(4):238-270.

[3]S.Z.Wang,J.Gao.High performance Ni-Fe-Lathanum gallate composite anodes for dimethyl ether fuel cells[J].Electrochemical and Solide-State Letters,2006,9(9):A395-A398.