固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种很有前途的新能源技术。传统使用的Ni/YSZ金属陶瓷电导率高、催化活性好、以氢气为燃料时表现出了非常优越的电化学性能。但Ni/YSZ阳极却存在氧化还原稳定性差、以天然气及煤合成气为燃料时出现严重的积碳现象及对天然气中的含硫气体耐受性差等缺陷。 为了解决镍金属陶瓷阳极的诸多问题,研究者们进行了大量替代阳极的研究。La掺杂SrTiO₃ (LST)氧化物陶瓷由于其高导电性、与稳定氧化锆电解质匹配的热膨胀系数、在氧化还原气氛中较好的化学和物理稳定性、良好的抗积碳性能和耐硫性成为很有希望的潜在阳极材料。我们之前的研究发现化学计量的LST和锆基电解质ScSZ之间有明显的化学反应发生,生成催化活性差且电导率很低的La₂Zr₂O₇,从而使得电池发电性能显著降低。引入A位缺陷能很好地抑制完整化学计量LST与ZrO₂基电解质之间的高温化学反应,但二者之间仍存在元素相互扩散现象。而在LST的B位进行掺杂又能显著改善其与ScSZ之间的高温化学稳定性,尤其是Al掺杂LST。本论文主要以Al掺杂(La_0.25Sr_0.75)_0.9TiO₃为研究对象,通过改变Al的掺杂浓度,找到既具有很好高温化学稳定性且具有较好电化学性能的Al掺杂LST。本文通过第一性原理计算了LST的B位阳离子缺陷形成能,并结合实验研究对B位掺杂对LST高温化学稳定性的影响机理进行系统研究。主要内容总结如下: (1) 利用溶胶凝胶法合成四种不同Al掺杂浓度的(La_0.25Sr_0.75)_0.9Ti_1-xAl_xO₃ (x=0.02、0.04、0.06、0.08)粉体,XRD结果显示制备的LSTA_x都形成良好的钙钛矿结构,晶格常数随着x的增加而减少;SEM结果显示,随掺杂浓度增加,平均晶粒尺寸减小,B位阳离子缺陷浓度随x值的增大而减小。通过对LSTA_x /ScSZ复合片在1200℃空气气氛中30小时的退火实验发现其高温化学稳定性也是随着x的增加而逐渐变好。当x=0.08时,LSTA_0.08/ScSZ复合片中两种材料都保持了很好的立方结构,没有发生明显相互作用。 (2) 通过第一性原理计算发现,B位掺杂元素及其掺杂浓度对LSTM_x的B位阳离子缺陷形成能有很大影响。随着掺杂浓度的增加,LSTM_x的B位Ti的缺陷形成能增加,尤其是Al掺杂LSTA_x;不同的掺杂元素本身具有不同的缺陷形成能,导致LSTM_x中B位的Ti具有不同的缺陷形成能。在B位进行高浓度掺杂时,掺杂元素本身的缺陷形成能也会显著影响材料的化学稳定性。 (3) 电化学性能测试结果显示Al掺杂LSTA_x/ScSZ阳极半电池的最高电流密度随着掺杂浓度x值的增加逐渐降低;但LSTA_x/ScSZ阳极半电池的长期稳定性却随着x值的增加而增加。说明Al的掺杂能够提高LSTA_x和ScSZ之间的化学稳定性,却降低了LSTA_x的电化学性能。本论文实验结果显示,x值略高于0.06的(La_0.25Sr_0.75)_0.9Ti_1-xAl_xO₃ 是既具有较好电化学性能又能保持高温化学稳定性的LSTA_x