鎳-鐵-鎵酸鑭復合陽極物相研究

賀瓊(山東工業技師學院，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一種中溫下的電解質材料，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生燒結并且易與電解質界面發生反應，故鎳陽極的穩定性與活性強烈依賴于電極的組成、制備條件以及電極/電解質界面的性質。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具有重要的意義。

本文章利用XRD技術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。肯定了鎳-鎵酸鑭作為一種穩定的陽極材料的可行性，并優化出了高穩定性的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得到氧化態的電極。

圖1為氧化態的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，電極的物相逐漸發生變化。在Ni、Fe配比為8:2的復合金屬陽極中出現了新的峰，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，各個峰強度逐漸發生變化，可以判斷出，Ni-Fe復合金屬陽極氧化態為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的摻入向低角度發生偏移。比照標準PDF卡片可以發現，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已經完全溶入了Ni的晶格中，形成單一的相。

圖1 氧化態的Ni-Fe復合金屬陽極XRD譜圖

圖2 還原態的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粉末質量百分含量為25%。

圖3為不同Ni、Fe配比的還原態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反應時伴隨產生的新物相。

圖3：Ni-Fe-LSGMC8.5復合陽極還原態的XRD譜圖

圖4：Ni-Fe-LSGMC8.5復合陽極還原態的XRD譜圖局部

由于峰強之比可以反映物質質量百分含量的變化[12]，為了詳細研究峰強與Ni、Fe配比的關系，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生變化，故以LSGMC8.5的峰做為參比，分析電極中各個物質相對含量的變化。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 結語

還原氣氛下，Ni與鎵酸鑭在高溫下可能會發生反應。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生，提高電極的穩定性。

[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.