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AI模拟的实验验证:多孔异质结构提升中温SOFC氧电极的ORR性能

时间:  2020-11-06 16:41   来源:  EAI能源与人工智能    作者:  网络转载

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据报道,于波王建晨张久俊教授团队在Energyand AI上发表题为“Enhanced oxygen reduction kinetics by aporous heterostructured cathode for intermediate temperature solid oxide fuelcells”的研究论文,提出了一种高活性与稳定性的多孔异质结构氧电极,揭示了该电极对固体氧化物燃料电池性能的影响规律,研究从实验角度验证了AI在能源材料筛选与优化方面的广阔前景。

AI模拟的实验验证:多孔异质结构提升中温SOFC氧电极的ORR性能

成果介绍

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs, 800-1000oC)是一种将化学能直接转化为电能的电化学装置,它由于具有能量转换率高、能源接入灵活、燃料可选范围广、不需要贵金属催化以及全固态结构带来的操作方便等优点而被认为是一种很有发展前途的能源技术。考虑到高温条件下的材料快速衰减问题,近期许多研究聚焦于降低操作温度至中温范围(500-700oC)以扩展其工作寿命、增加其经济可行性。但降低操作温度会明显减缓电极氧还原反应(ORR)速率、进而降低能源转换效率。因此,开发用于中温SOFC的高性能阴极(氧电极)材料具有重要意义。与此同时,相对于传统电极材料开发过程中因大量实验而伴随产生的成本高、耗时长等问题,人工智能(AI)技术提供了很好的解决思路,可以通过实验前结构设计与参数优化等途径显著提升工作效率。

理想的中温SOFC氧电极材料一般需要具备较高的电子电导和离子电导、优异的电催化性能、良好的化学与热稳定性。其中,具有较好电化学活性的锶掺杂钴酸镧(La1-xSrxCoO3-δ, LSC113)电极受到人们的广泛研究。但与传统电解质之间(e.g. YSZ)较差的化学稳定性与热稳定性(热膨胀系数较大)很大程度上限制其进一步应用。与此同时,作为一种有效的AI技术,自适应神经网络-模糊推理系统(ANFIS, adaptiveneuro-fuzzy inference system, 图1)通过结合人工神经网络(ANN)和模糊推理系统(FIS)两者的优势,专门对含各种镧系离子的钙钛矿氧化物的关键参数(热膨胀系数等)及其性能进行了模拟研究,以实现氧电极材料的高效筛选与设计。结果表明,钙钛矿(e.g. LSC113)晶格中Nd3+对La3+的取代有利于热膨胀系数的降低、进而提高材料的相关性能。

基于上述模拟研究,于波王建晨张久俊教授团队结合前期异质结构薄膜电极方面的研究(Energy Environ. Sci. 2020, 13, 53-85; Nano Energy, 2020, 78, 105236; Nano Energy, 2019, 62, 521-529;Nano Energy, 2018, 51, 711-720),提出了一种多孔异质结构(Nd0.8Sr1.2CoO4±δ/Nd0.5Sr0.5CoO3-δ,NSC214 /113)氧电极设计,将前期的理论薄膜电极进一步拓展应用到成本更低、高活性反应面积更大的实际多孔电极中(如图2),从实验角度验证了ANFIS系统对SOFC氧电极材料性能方面的模拟预测。

研究结果表明,相对于单相电极材料Nd0.8Sr1.2CoO4±δ(NSC214)和Nd0.5Sr0.5CoO3-δ(NSC113),所制得的多孔异质结构氧电极NSC214/113显示了很好的物理和电化学性能,包括更高的电导率、较低的面电阻(0.065Ω cm2,800°C),更快的表面氧交换动力学(20倍提升),以及较好的稳定性与耐久性(700°C下稳定运行100小时以上)。与此同时,全电池性能测试的结果表明,多孔NSC214/113样品的最大功率密度在800°C时可达到1.10 W cm-2,明显优于同类异质结构的电池性能。此外,在性能提升机理方面,研究发现ORR性能增强与异质结的形成和局部异质界面处Co价态的变化密切相关。总体而言,该研究为进一步开发高活性能源材料提供了新思路,并为人工智能在新能源领域的应用进行了前期探索与初步验证。

1、结构与组成

文章首先对三种电极材料的基本结构和组成进行了分析。其中NSC113,NSC214和NSC214/113粉末的晶体结构如图3所示。在1200°C下烧结后,NSC113和NSC214样品均形成具有两组明显衍射峰的单相结构,分别与正交晶钙钛矿相和四方K2NiF4-δ型相一致。NSC214/113的XRD图谱表明所有衍射峰均属于NSC113和/或NSC214的特征峰,且在NSC214/113样品的谱图中未发现明显的新峰,表明混合物中没有其他反应产物,不同组分之间具有良好的化学相容性。与此同时,除了电极材料的基本组成和微观结构,研究还利用HRTEM对局部异质界面的晶体结构和成分分布进行了分析(图4),结合薄膜异质界面的晶体结构特点,进一步确认了NSC214/113粉末样品中异质界面的存在。

2、性能分析

研究从材料的电导与氧传输动力学、相关对称电池和全电池的电化学性能等多方面对异质结构电极的性能进行了对比分析。其中氧电极材料的表面氧交换动力学的测试过程与结果如图5(a)-(b)所示,NSC214/113中示踪剂18O–的归一化分数比NSC113高约2.5倍,比NSC214高约20倍,这说明异质结构材料在中温条件下明显更有利于18O2的交换与扩散。材料的电导率测试结果如图5(c)所示,其中NSC214/113在500–800°C温度范围内的电导率为800–1000 S cm‑1,可以完全满足SOFC电极材料的电导率要求(> 100 S cm-1)。依据双交换机制(Zener),可以推断Co3d-O2p轨道的杂化和异质结构样品中加速的电子转移可能是电导率提高的原因之一。

除了基本材料的性能之外,还研究了对称电池的电催化活性与长期运行稳定性。其中异质结构与单相样品在中温范围内的电化学阻抗谱如图5(d)-(g)所示,每个图谱中的两个弧形分别代表氧离子迁移(高频段,R2),和氧吸附、离解与电荷转移(低频段R3,也称为RORR)所引起的阻抗。研究引入极化电阻Rp和氧表面交换系数kq以评估发生ORR的氧电极性能(图5(h)-(i))。结果表明,异质结构样品NSC214/113具有明显更低的Rp,以及显著增加的kq,显示了非常优异的电化学活性。与此同时,还针对SOFC在700°C下进行了100小时的耐久性测试(SI),发现电池测试过程中的面电阻(ASR)在0.060到0.075 Ω cm2的小范围内保持稳定;耐久性测试前后的XRD(SI)分析表明并没有明显杂质相产生,进一步验证了氧电极的运行稳定性及其与电解质的相容性。

为了进一步评估NSC电极的整体电化学性能,本研究还进行了单电池(Ni-YSZ|YSZ-GDC|NSC)的组装与测试。图5(j)-(l)为三种样品对应单电池的电流-电压-功率密度(I-V-P)曲线,其中800 °C条件下NSC214、NSC113和NSC214/113对应的最大功率密度分别为0.47,0.80和1.10 W cm−2;其中异质结构样品对应的性能明显高于同温度下类似异质结构样品的性能((La0.5Sr0.5CoO3- [汽车总站网 www.chianautoms.com欢迎你]



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