Strontium Titanate-based Anodes for Solid Oxide Fuel Cells

Abstract: Popular Abstract in Swedish Syftet med detta arbete har varit att utveckla nya, stabila bränsleelektroder till bränsleceller baserade på fasta oxider, SOFC (solid oxide fuel cells). Vi har undersökt olika keramiska material eller kompositer med lovande egenskaper för att användas på anodsidan av bränslecellerna. För att förbättra redox-stabiliteten så ska bränsleelektroden företrädesvis inte innehålla någon metall, eller åtminstone inte vara en huvudbeståndsdel. Vi har också försökt att uppnå en bättre förståelse för de elektrokatalytiska egenskaperna för oxidation av vätgas hos några intressanta keramiska material, däribland material baserade på strontiumtitanat i kombination med dopad ceriumdioxid (ceria). Materialen har undersökts med olika experimentella metoder för att bestämma vilka fysikaliska och kemiska egenskaper som styr de elektrokemiska egenskaperna och redox-stabiliteten. Vi har undersökt de elektrokemiska egenskaperna hos odopad strontiumtitanat (Sr1-xTiO3) som är understökiometrisk med avseende på strontium. Det visade sig att odopad strontiumtitanat är en dålig elektrokatalysator för oxidation av vätgas, och vi påbörjade sökandet efter ett material med högre elektrokemisk aktivitet och bättre ledningsförmåga. Konformade elektroder har använts med fördel som en relativ mätmetod för att jämföra den elektrokemiska aktiviteten mellan olika material. En ny våtkemibaserad syntes har utvecklats för att framställa kemiskt homogen Nb-dopad SrTiO3. De framställda partiklarna har partikelstorlekar i submikrometerområdet. Defektstrukturegenskaperna och de elektriska transportegenskaperna för materialet, har studerats där den generella teorin om defektkemin för n-dopade titanater har kunnat verifieras med experimentella mättekniker. Vi har funnit att Nb-dopad SrTiO3 är ett keramiskt material med hög elektrisk ledningsförmåga (sigma > 120 S/cm vid 1000 ºC i reducerande atmosfär). Vidare har vi använt XANES (X-ray Absorption Near Edge Structure) för att klarlägga oxidationstillståndet för Ti i titanat-materialet. De elektrokemiska egenskaperna hos Nb-dopad SrTiO3 undersöktes, och materialet hade lovande redox-stabilitet, även om det visade sig att den elektrokatalytiska aktiviteten behövde förbättras minst 100 gånger för att materialet ska kunna utgöra ett alternativ som bränsleelektrod. För att kombinera effekter av olika material i en komposit, undersöktes impregnering av aktiva material in i en porös struktur av elektriskt ledande Nb-dopad SrTiO3. Resultaten visade att impregnering med en ceria-lösning innehållande tensider bidrog till bildandet av nanometerstora ceria-partiklar (i detta fall Gd-dopad ceria, CGO) på titanatpartiklarnas exponerade ytor. Den elektrokatalytiska aktiviteten hos den nya keramiska anodkompositstrukturen visade sig vara jämförbar eller till och med bättre i jämförelse med den nuvarande mest använda Ni/YSZ-baserade bränsleelektroden. Den keramiska kompositelektroden visade sig tillika vara redox-stabil. Elektroden aktiverades dessutom under en redox-cykel vid 650 ºC. Resultaten tyder på att CGO fungerar som den blandat ledande och elektrokatalytiskt aktiva fasen medan den porösa strukturen, bestående av Nb-dopad SrTiO3, huvudsakligen fungerar som elektronisk ledare.