Perovskite Oxide for Solid Oxide Fuel Cells pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Ishihara, Tatsumi 编

出品人:

页数:320

译者:

出版时间:2009-6

价格:$ 180.80

装帧:

isbn号码:9780387777078

丛书系列:

图书标签:

电化学
燃料电池
材料
钙钛矿氧化物
固体氧化物燃料电池
SOFC
能源材料
电化学
材料科学
催化
高性能材料
燃料电池
氧化物材料

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具体描述

The continuing development of fuel cells offers promising technologies for the conversion of chemical energy from hydrocarbon fuels into electricity without forming air pollutants. Perovskite Oxides for Solid Oxide Fuel Cells provides insight into the materials aspects of one of the most promising fuel cell types available. Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) have significant advantages over other fuel cell types, such as high efficiency, flexibility in fuel, high reliability, simple balance of plant (BOP) and a long history. Because of these advantages, SOFC technology is attracting a great deal of attention for use in power generation and for its potential in heat generation. Perovskite oxides are widely used for different SOFC components. Detailed description of various aspects of perovskite oxides are presented in this book. Each chapter in the book is written by leading international researchers and covers topics including: General Introduction of SOFC; Perovskite fast oxide ion conductors; High temperature perovskite proton conductors; Perovskite electrode catalyst and catalysis; SOFC stack development using perovskite oxide; The effects of decreasing SOFC operating temperatures to increase reliability, durability and stability. Perovskite Oxides for Solid Oxide Fuel Cells provides comprehensive and up-to-date information on the materials, properties, and performance for SOFCs and is appropriate for researchers and engineers in the field.

新世代能源转化：突破性的储能材料与先进燃料电池技术本书深入探讨了推动能源领域革命性进步的关键材料科学前沿，聚焦于一种极具潜力的储能技术——固态氧化物燃料电池（SOFCs），并在此基础上，以前瞻性的视角，勾勒出下一代能源转化系统的宏伟蓝图。本书并非简单罗列现有技术，而是旨在揭示实现高效、可持续能源供应的底层科学原理，并以前沿的材料创新为驱动力，探索解决当前能源挑战的根本途径。第一章：固态氧化物燃料电池（SOFCs）——清洁能源的明日之星本章将全面阐释固态氧化物燃料电池（SOFCs）的核心工作原理。我们将从热力学和动力学角度，深入解析SOFCs将化学能直接转化为电能的独特机制。不同于传统的燃烧发电，SOFCs通过电化学反应，能够显著减少温室气体排放，实现近乎零污染的能源生产。本章将详细介绍SOFCs的组成部分，包括阴极（空气电极）、电解质（氧离子导体）和阳极（燃料电极），并重点剖析它们各自在电化学反应中扮演的关键角色。我们将从微观层面，深入理解氧离子的传输机制，以及燃料（如氢气、天然气、甚至生物质气化气）在阳极氧化过程中发生的复杂化学反应。更重要的是，本章将探讨SOFCs的显著优势，如其卓越的能量转换效率、燃料的灵活性（能够使用多种燃料）、以及其模块化设计带来的广泛应用前景。我们将对比SOFCs与传统发电技术的效率差异，并分析其在减少碳足迹方面的巨大潜力。此外，本书还将对SOFCs的当前发展状态进行梳理，包括其在不同规模应用中的实践案例，例如分布式发电、备用电源，以及在交通运输领域的潜在应用。我们将提及当前技术面临的挑战，例如高温运行对材料寿命的影响，以及降低成本以实现大规模商业化应用的必要性。第二章：高性能电解质材料——氧离子导电的基石高效的氧离子传导是SOFCs实现高功率输出的决定性因素。本章将聚焦于构筑高性能SOFCs的基石——电解质材料。我们将深入研究不同种类电解质材料的结构-性能关系，重点关注目前研究最广泛、应用最成熟的钇稳定氧化锆（YSZ）材料。我们将解析YSZ材料的晶体结构、相稳定性，以及掺杂钇对氧空位形成和氧离子迁移率的影响。通过详细的晶格动力学分析，我们将揭示YSZ在高温下的离子电导率是如何实现的，以及其限制因素。然而，为了进一步提升SOFCs的运行效率和降低运行温度，开发新型的、具有更高氧离子导电率的电解质材料至关重要。本章将着重介绍当前和未来极具潜力的电解质材料体系，包括但不限于：掺杂铈氧化物（Doped Ceria）：如钐掺杂铈氧化物（SDC）和镨掺杂铈氧化物（PDC）。我们将深入分析铈氧化物独特的钙钛矿相关结构，以及稀土元素掺杂如何有效地增加氧空位浓度，从而大幅提高氧离子电导率。我们将讨论SDC和PDC在不同温度下的电导性能，并分析它们在降低SOFCs运行温度方面的潜力，以及与YSZ材料的性能对比。 A位或B位掺杂的尖晶石型氧化物：尽管尖晶石结构在SOFCs中主要用于电极材料，但一些新型的尖晶石结构化合物也被研究作为潜在的电解质材料。本章将对其结构特点和离子导电机制进行初步探讨。层状或块状结构的氧化物：一些具有特殊层状或块状结构的氧化物，例如某些铜基或镍基氧化物，也表现出一定的氧离子导电性。我们将介绍这些材料的结构特征，以及它们的离子传导路径。在讨论这些新型电解质材料时，本章将不仅仅停留在材料本身，还将强调其在SOFCs系统中的集成性，包括与电极材料的相容性、界面阻抗的控制，以及在实际工作条件下的长期稳定性和抗腐蚀性。我们将探讨如何通过优化材料合成工艺、控制微观结构，以及设计界面层，来最大限度地发挥这些新型电解质材料的优势。第三章：高效电极材料——催化反应与电子传输的协同作用电极材料在SOFCs的性能中扮演着至关重要的角色，它们负责高效地催化燃料氧化和氧还原反应，并同时提供优异的电子导电性。本章将深入剖析SOFCs电极材料的设计原则和关键性能指标。阴极（空气电极）材料：我们将重点介绍当前SOFCs阴极材料的研究热点。镧锶锰氧（LSM）及其衍生物：作为一种成熟的阴极材料，LSM因其优异的氧气还原活性和与YSZ的相容性而被广泛应用。本章将详细解析LSM的结构特点、氧缺陷形成机制，以及其与氧气分子的表面吸附和解离过程。我们将讨论如何通过掺杂（如掺杂Sr，Ba等）来优化LSM的电导率和催化活性。镧锶钴氧（LSC）及其衍生物： LSC材料具有比LSM更高的氧离子和电子导电性，以及更强的催化活性，使其成为低温SOFCs的理想阴极选择。本章将深入研究LSC的电化学反应机理，并讨论其在降低SOFCs工作温度方面的潜力。我们还将探讨如何通过掺杂（如掺杂Fe，Ni等）来进一步提高LSC的性能和稳定性。其他新型阴极材料：例如，一些基于钴酸盐、铁酸盐的复杂氧化物，以及双层结构或纳米结构阴极材料，都因其潜在的优异性能而受到关注。本章将对这些新兴材料的结构、性能和应用前景进行介绍。阳极（燃料电极）材料：阳极材料需要高效地催化燃料的氧化反应，并承受富燃料环境和高温的严峻考验。镍基金属陶瓷（Ni-YSZ cermets）：这是目前SOFCs阳极最常用的材料。本章将详细分析镍基金属陶瓷的组成、制备方法，以及其在催化氢气氧化反应中的关键作用。我们将讨论镍颗粒的尺寸、分布、以及与YSZ骨架的相互作用如何影响其催化活性和电子/离子导电性。同时，我们将探讨金属陶瓷在实际运行中可能面临的挑战，例如镍的氧化、碳沉积以及硫中毒等问题。新型阳极材料：为了应对高温和燃料适应性挑战，研究人员正在开发新型的阳极材料，例如：基于氧化物/金属复合的阳极：旨在提高氧化稳定性和耐硫性。具有更高催化活性的金属合金：例如，含有钌、铑等贵金属的合金。基于尖晶石结构或钙钛矿结构的氧化物阳极：它们在一定程度上也表现出燃料氧化催化活性。在讨论电极材料时，本章还将强调材料界面工程的重要性，包括阴阳极与电解质之间的界面相容性、界面阻抗的减小，以及如何通过优化界面结构来提高整体电池性能。我们将讨论各种界面改性技术，例如涂层技术、烧结工艺等。第四章：材料性能的微观调控与表征技术要实现SOFCs的持续进步，深入理解材料内部的微观结构、缺陷行为以及电化学反应机制至关重要。本章将聚焦于用于调控和表征SOFCs材料性能的先进技术。微观结构设计与控制：我们将探讨如何通过控制材料的合成工艺，例如固相反应法、溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法、原子层沉积（ALD）等，来精确调控材料的晶体结构、粒径、比表面积、孔隙率以及晶界特性。例如，通过纳米化处理，可以显著增加材料的比表面积，从而提高催化活性。通过控制晶界结构，可以优化离子的传输路径，降低界面阻抗。缺陷工程与掺杂策略：缺陷在离子导体和催化剂中扮演着核心角色。本章将深入阐述如何利用缺陷工程，例如通过掺杂不同的元素，来引入氧空位、阳离子空位或填隙原子，从而调控材料的载流子浓度、迁移率和催化活性。我们将详细分析不同掺杂元素对材料性能的影响机理，例如钇掺杂对YSZ中氧空位形成的影响，以及稀土元素掺杂对铈氧化物离子导电性的提升。先进表征技术：我们将详细介绍一系列用于深入理解SOFCs材料内部结构和电化学行为的先进表征技术：结构与相分析： X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）等，用于分析材料的晶体结构、相组成、晶界结构和微观形貌。元素分析：能量色散X射线光谱（EDX）、X射线光电子能谱（XPS）等，用于确定材料的元素组成和表面化学态。电化学性能测试：阻抗谱（EIS）、循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）等，用于评估材料的离子电导率、电子电导率、催化活性和电化学界面阻抗。原位（in-situ）和准原位（operando）表征技术：例如，原位XRD、原位TEM、原位拉曼光谱等，允许我们在材料工作的实际条件下（例如高温、不同气氛）对其结构和性能进行实时监测，从而揭示动态的反应机制和性能演变。通过对这些先进技术及其在SOFCs材料研究中的应用进行详细阐述，本章旨在为读者提供一个全面理解和设计高性能SOFCs材料的理论和实验框架。第五章：下一代能源转化系统展望—— beyond Perovskite Oxide 在对SOFCs材料进行深入探索的基础上，本章将目光投向更广阔的未来能源转化领域，探索超越传统“钙钛矿氧化物”范畴的新思路和新材料。本书并非仅仅局限于当前的研究热点，而是旨在激发读者对未来能源技术的创新思考。我们将展望超越传统SOFCs的下一代能源转化系统。这可能包括：低成本、高性能的燃料电池技术：除了SOFCs，我们还将简要介绍其他新兴的燃料电池技术，例如质子交换膜燃料电池（PEMFCs）在质子传导材料方面的突破，以及固体氧化物电解电池（SOECs）在可再生能源制氢和合成气生产方面的潜力。新型储能材料与系统：能源转化与储存密不可分。本章将探讨与燃料电池协同工作的先进储能材料，例如高性能电池材料（固态电池、锂硫电池等）、超级电容器材料，以及基于新型化学反应的储能方式。集成式能源系统：未来能源系统将是高度集成化的。我们将探讨如何将燃料电池与其他可再生能源（太阳能、风能）以及储能技术有机结合，构建智能化、高效化的分布式能源网络。例如，利用SOFCs与可再生能源相结合，实现能源的灵活供应和就地消纳。新材料探索方向：本章将鼓励读者超越已有的材料体系，探索全新的材料领域。例如，二维材料在能源转化中的应用：例如，石墨烯、过渡金属硫化物（TMDs）等二维材料在催化、导电和界面工程方面的潜在应用。金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）：这些多孔材料在气体吸附、分离和催化方面具有独特优势，有望在燃料电池和储能领域发挥作用。生物质基能源转化材料：探索利用可持续的生物质资源进行能源转化的新型催化剂和反应器设计。计算材料科学与人工智能驱动的材料发现：我们将强调计算材料科学在加速新材料研发中的作用，包括密度泛函理论（DFT）计算、机器学习模型等，如何预测材料性能、筛选候选材料，以及优化材料设计。本章的最终目的是激发读者对未来能源科技的想象力，鼓励他们积极探索和创新，为实现可持续、清洁的全球能源未来贡献力量。本书所呈现的不仅仅是现有的科学知识，更是一种前瞻性的视野和对未知领域的探索精神。