稀土在燃料电池中的研究与应用

固体氧化物燃料电池（SOFC）因具有发电效率高、低污染和可持续发电等特点而受到人们越来越多的关注，被誉为21世纪的绿色能源。稀土在SOFC中的研究开发主要集中在以下几个方面：阴极材料的开发，例如锶掺杂亚锰酸镧（LSM）；阳极材料的开发，例如镍-YSZ金属陶瓷；双极连接板材料，例如钙或锶掺杂的铬酸镧钙钛矿材料（LCC）：La1-xCaxCrO3；但更多的是应用在电解质材料上，例如YSZ（氧化钇掺杂的氧化锆），掺杂镓酸镧，氧化钍、氧化铈、稀土钙钛矿复合氧化物等。

目前发现的可能用于SOFC的氧离子导体主要有萤石相结构的ZrO2基、CeO2基、Bi2O3基材料和钙钛矿型结构的LaGaO3基材料等。寻找新的优良的固体氧化物电解质仍然是新世纪推动SOFC实用化的关键任务之一。自Cook、Ishihara等报道了基于LaGaO3的钙钛矿氧化物具有很高的电导率以后，钙钛矿型固体电解质的研究受到了广泛的重视。ABO3不仅具有稳定的晶体结构，而且对A位和B位离子半径变化有着较强的容忍性，并可通过低价金属离子掺杂，在结构中引入大量的氧空位。钙钛矿型氧化物可以容纳大量的氧离子空位并具有很高的电导率，例如La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O3在800℃的电导率为0.17 S/cm，是除Bi2O3以外氧离子电导率最高的陶瓷材料。稀土氧化物具有良好的离子和电子导电性，对改善固体氧化物燃料电池的性能有着无法取代的作用。通过选择合适的氧化物组成，可提高电极材料的离子导电率，降低氧还原的活化能。通过研究组成、结构与导电性的关系以及掺杂离子的形态，来设计、合成新型结构的复合稀土氧化物，获得高电催化活性和高导电率的稀土电极材料，是固体氧化物燃料电池目前的研究热点，也是稀土在此领域中的一个重要应用。