镍-铁-镓酸镧复合阳极物相研究

贺琼(山东工业技师学院，山东 潍坊 261053)

镓酸镧是具有高氧离子电导率与高氧离子迁移数一种中温下的电解质材料，被广泛应用于中温固体氧化物燃料电池（ITSOFC）的研究[1]。镍是目前以镓酸镧为电解质的ITSOFC中最常用的阳极材料。

在高温及高电流密度下纯镍易发生烧结并且易与电解质界面发生反应，故镍阳极的稳定性与活性强烈依赖于电极的组成、制备条件以及电极/电解质界面的性质。电子探针研究表明，高温下Ni与LSGM之间存在明显的化学反应，增加阳极与电解质的接触电阻，降低阳极的电化学活性。

由于目前文献所研究的多为氧化气氛下的NiO与镓酸镧之间的反应，且考察的温度远高于通常的电极制备与测试温度[2]，与实际电池体系有偏离很大，因此研究接近于实际体系的电池中Ni与镓酸镧的反应对于镓酸镧体系燃料电池阳极的开发具有重要的意义。

本文章利用XRD技术考察了电极组分对复合阳极中Ni-Fe与镓酸镧相容性的影响。肯定了镍-镓酸镧作为一种稳定的阳极材料的可行性，并优化出了高稳定性的Ni-Fe-镓酸镧复合阳极材料。

1 Ni-Fe合金阳极

制备了Ni、Fe配比分别为10:0，8:2和5:5的合金阳极，电极在1473K、空气中焙烧2h得到氧化态的电极。

图1为氧化态的Ni-Fe复合金属阳极(没有掺杂镓酸镧粉末的Ni-Fe电极)的XRD谱图，由图中可以观察到，纯Ni电极主要由NiO(01-075-0197)组成，随着电极中Fe的掺入，电极的物相逐渐发生变化。在Ni、Fe配比为8:2的复合金属阳极中出现了新的峰，即Fe的掺入为电极中引入了新的物相Ni1.25Fe1.85O4(01-088-0380)。随着电极中Fe含量的升高，各个峰强度逐渐发生变化，可以判断出，Ni-Fe复合金属阳极氧化态为Ni1.25Fe1.85O4和NiO的混合物。当Ni、Fe配比达到5:5时，复合金属阳极的谱图中各个峰的强度关系已与Ni1.25Fe1.85O4基本相同，说明此时电极的主要成分为Ni1.25Fe1.85O4。

将上述电极于1248K通氢还原20min后得到的XRD谱图示于图3-2。图中可以观察到，纯Ni电极还原后以Ni单质的形式存在。Ni5-Fe5、Ni8-Fe2电极衍射峰与纯Ni电极极为相似，但衍射峰的位置随着电极中Fe的掺入向低角度发生偏移。比照标准PDF卡片可以发现，Ni-Fe电极的物相与Ni3Fe(01-088-1715)合金一致谱图中没有观察到Fe的衍射峰的存在，表明电极中Fe已经完全溶入了Ni的晶格中，形成单一的相。

图1 氧化态的Ni-Fe复合金属阳极XRD谱图

图2 还原态的Ni-Fe复合金属阳极XRD谱图

2 Ni-Fe-LSGMC8.5复合阳极

在研究了Ni-Fe合金阳极物相的基础上，进一步研究了不同Ni、Fe配比的Ni-Fe-LSGMC8.5复合阳极的物相特点。电极中掺杂的LSGMC8.5粉末质量百分含量为25%。

图3为不同Ni、Fe配比的还原态Ni-Fe-LSGMC8.5复合阳极的XRD谱图，与图2相似，电极中的主要物相为Ni3Fe合金。随着电极中Fe含量的升高，电极的主峰位置逐渐向低角度偏移。

除主峰外，图3中在2θ为29.92°、31.25°、32.34°附近的位置可以观察到三个较弱的峰。为详细地分析杂相的变化，将29°-35°之间的谱图放大得到图3-5。2θ角为31.25°的峰可能为La2NiO4.18[3]，是Ni与LSGMC8.5粉末反应的产物；2θ角为29.92°的峰则是新形成的高电阻相SrLaGa3O7，是Ni与LSGMC8.5反应时伴随产生的新物相。

图3：Ni-Fe-LSGMC8.5复合阳极还原态的XRD谱图

图4：Ni-Fe-LSGMC8.5复合阳极还原态的XRD谱图局部

由于峰强之比可以反映物质质量百分含量的变化[12]，为了详细研究峰强与Ni、Fe配比的关系，进一步考察了谱图中各个峰的峰强和相应的比值。电极中掺杂的LSGMC8.5粉末含量基本没有发生变化，故以LSGMC8.5的峰做为参比，分析电极中各个物质相对含量的变化。通过计算可得随着Ni、Fe配比由9:1下降到5:5，SrLaGa3O7和LSGMC8.5两峰比值由3.3迅速下降到0.2，而La2NiO4.18与LSGMC8.5粉末峰强的比值由3.2迅速下降到0.65，表明电极中Fe的掺杂可以抑制电极中Ni与镓酸镧粉末的反应，减少杂相的生成，从而提高Ni与镓酸镧的相容性。

3 结语

还原气氛下，Ni与镓酸镧在高温下可能会发生反应。在阳极中掺入Fe可以显著抑制Ni与镓酸镧的反应，进而减少副反应的发生，提高电极的稳定性。

[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(高洁)，Wang Shi-Zhong(王世忠),He Qiong(贺琼).Ni-Fe-LSGMC8.5复合阳极的研究[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.