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中温固体氧化物燃料电池抗铬污染阴极材料的多维度探究与性能优化

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球经济飞速发展的大背景下，能源需求与日俱增。国际能源署（IEA）数据表明，过去几十年，全球能源消耗总量持续攀升，传统化石能源如煤炭、石油、天然气在当前能源结构中仍占据主导。然而，化石能源大量使用引发了能源危机和环境污染等严峻问题，给人类社会可持续发展带来巨大挑战。从能源危机角度看，化石能源属于不可再生资源，储量有限。英国石油公司（BP）统计显示，按当前开采速度，全球石油储量预计仅能维持数十年，天然气和煤炭可开采年限也相对有限，能源需求增长速度却未减缓，新兴经济体崛起更使能源供需紧张局面加剧。如中国和印度等国家，经济快速发展，能源需求大幅增加，对国际能源市场依赖程度不断提高，能源供应稳定性和安全性面临巨大威胁。环境污染方面，化石能源燃烧产生大量污染物和温室气体。二氧化碳作为主要温室气体，导致全球气候变暖，引发冰川融化、海平面上升、极端气候事件频发等问题；二氧化硫和氮氧化物等污染物形成酸雨，对土壤、水体和生态系统造成严重破坏，危害动植物生存和人类健康。

为应对能源危机和环境污染双重挑战，开发高效、清洁的能源利用技术成为当务之急。燃料电池作为新型能源转换装置，以其高能量转换效率、低环境污染等显著优点，受到广泛关注。固体氧化物燃料电池（SolidOxideFuelCell，SOFC）作为燃料电池中的重要类型，具有燃料适应性广、全固态结构、无需使用贵金属催化剂等优势，在众多能源技术中脱颖而出，被视为未来能源领域的重要发展方向之一。SOFC工作原理基于电化学氧化还原反应，在高温环境下（通常为600-1000℃），燃料（如氢气、一氧化碳等）在阳极发生氧化反应，释放电子；氧气在阴极得到电子被还原，形成氧离子，氧离子通过电解质迁移到阳极与燃料反应，从而产生电能。然而，传统的高温SOFC在实际应用中面临诸多挑战，例如高温条件对材料的要求苛刻，导致成本高昂；高温运行还会加速材料的老化和性能衰退，降低电池的稳定性和寿命。此外，高温启动过程较为缓慢，限制了其在一些对启动速度有要求的场景中的应用。

为克服这些问题，中温固体氧化物燃料电池（Intermediate-TemperatureSolidOxideFuelCell，IT-SOFC）应运而生，其工作温度通常在500-800℃之间。相较于高温SOFC，IT-SOFC在较低工作温度下仍能保持较高的电化学活性，具有降低对材料耐高温性能要求、有效降低电池制造成本、减缓材料老化速度、提高电池稳定性和寿命、加快启动速度等显著优势，使其能更好地满足实际应用需求。

然而，在中温固体氧化物燃料电池的发展进程中，铬污染问题成为阻碍其商业化应用的关键难题之一。铬污染主要来源于Fe-Cr合金连接体，在电池运行过程中，合金表面会形成Cr?O?，进而挥发产生气态铬物种，如CrO?和Cr(OH)?。这些气态铬物种会迁移至阴极，在阴极表面发生一系列化学反应，导致阴极性能严重下降。研究表明，铬污染会使阴极活性降低，极化电阻大幅增加，从而显著降低电池的输出功率和能量转换效率。据相关实验数据显示，在受到铬污染后，电池的极化电阻可增加数倍甚至数十倍，严重影响了电池的性能和使用寿命。

因此，开展抗铬污染阴极材料的研究具有重要的现实意义。一方面，研发新型抗铬污染阴极材料，能够有效解决铬污染对电池性能的负面影响，提高电池的稳定性和耐久性，推动中温固体氧化物燃料电池的商业化进程，使其在分布式发电、电动汽车、航空航天等领域得到更广泛的应用；另一方面，通过对阴极材料抗铬污染性能的研究，可以深入理解材料与铬物种之间的相互作用机制，为材料的优化设计和性能提升提供理论依据，促进能源材料领域的技术创新和发展。

1.2中温固体氧化物燃料电池概述

中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）的工作原理基于电化学反应，通过阳极燃料氧化、阴极氧气还原以及电解质离子传导这三个关键环节，实现化学能到电能的直接转换。当IT-SOFC工作时，在阳极一侧持续通入燃料，如氢气（H?）、甲烷（CH?）、一氧化碳（CO）等。以氢气为例，氢气在阳极催化剂的作用下发生氧化反应，其反应式为：H?+O2?→H?O+2e?，释放出电子，电子通过外电路流向阴极，形成电流。在阴极一侧持续通入氧气或空气，氧气在阴极催化剂的作用下得到电子被还原，形成氧离子，反应式为：O?+4e?→2O2?。氧离子在化学势的作用下，通过固体氧化物电解质迁移到阳极，与燃料发生反应，从而完成整个电化学反应过程。

中温固体氧化物燃料电池主要由电极（包括阳极和阴极）、电解质和连接体等部分组成。阳极作为燃料发生氧化反应的场所，需要具备