一种比较外部型多孔分级阵列固体氧化物电极性能的方法

本发明涉及一种比较外部型多孔分级阵列固体氧化物电极性能的方法。

背景技术：

1、作为一种高效清洁能源转化装置，固体氧化物电池(solid oxide cell,soc)近年来引起了广泛关注。通常情况下，socs通常使用纳米级多孔电极材料，其电化学性能受到这种电极氧化物材料的催化活性和孔隙结构的可传输性的限制。因此，通过创新的设计和制备方法以及对反应功能机理的基本了解可以实现soc电极性能效率的提高。在纳米级多孔电极的优化过程中，结构的复杂性也增加了。早期的纳米级多孔电极是由包括纳米线、纳米球和纳米棒在内的简单纳米结构的随机组合形成的，被称为非分级结构。由于质量传递阻力，这种结构的电化学性能不尽人意，限制了它们在许多领域的应用。与之相对应的是三维分级结构，长期以来一直被认为在结构性能关系的系统基础研究中非常重要。三维分级电极又分为三维内部分级电极(如通过刻蚀法或烧蚀法制备而成)和三维外部分级电极(如通过浸渍法或沉积法制备而成)。

2、宏观尺度的孔道可以提供有序的输运路径，减小输运阻力，而微观尺度的孔道可以增加比表面积，从而显著提高电极的电化学性能。孔径的结构深刻的影响了电极的性能。孔体积和孔径分布对其性质具有显著影响。通过调控孔结构，可以实现更高的能量密度和功率密度。然而，通过大量实验观察，发现对于分级纳米多孔电极，增加宏观孔的比例可以改善质量传递能力，但会降低比表面积和活性位点的数量，从而降低反应速率。另一方面，微观尺度孔可以增加比表面积，但也会增加反应物输运的传输阻力。因此，在优化分级纳米多孔电极的结构中，平衡质量传递和反应速率之间的竞争是一个巨大的挑战。

3、经典的无量纲数蒂勒模量(thiele modulus)可以用来评估反应和质量传递之间的竞争。但是在给定化学反应速率常数的假设下，即使扩散系数很小，外部分级结构也可能处于反应控制区域。对于复杂的外部结构，使用蒂勒模量确定扩散长度可能非常复杂，由于次级结构之间的相互影响，经典蒂勒模量的评估会失效，从而无法预测多孔分级固体氧化物阴极的电化学性能。

技术实现思路

1、为解决以上现有技术存在的问题，本发明提出一种比较外部型多孔分级阵列固体氧化物电极性能的方法，从而寻找出一个无量纲数，可以快速判断相同材料的外部型阵列多孔分级固体氧化物阴极的催化性能，仅仅比较两个电极的无量纲数大小，就可以预测电极的电化学性能的强弱，从而减少电极制备和测试的周期。

2、本发明可通过以下技术方案予以实现：

3、1)制备外部型阵列多孔分级固体氧化物电极；

4、2)对制备出的电极进行扫描隧道显微镜或透射电子显微镜拍照；

5、3)通过拍摄得到的扫描隧道显微镜或透射电子显微镜图，得到电极的特征长度h，分级电极的主要结构的半径r，分级结构的次级结构的顶部半径，单位：m；

6、4)通过bet等温吸附方法得到电极的比表面积，a/v，单位：m-1；

7、5)通过查阅扩散系数表，得到反应物分子的扩散系数d，单位：m2·s-1；

8、6)通过查阅反应速率表，得到非均相反应速率常数k，单位：m/s；

9、7)利用计算公式即

10、来计算电极的无量纲数φ值；

11、8)比较电极的φ值，在电极具有相同电极材料时，k值相同，因此不同的分级结构具有不同的φ值，具有越高φ值的电极会具有更好的催化性能，催化性能特指电极的质量活性，即总电流值除以电极总体积，单位为a/m3。

12、其中，所述步骤1)中使用氧化物烧结法制备外部型阵列多孔分级固体氧化物电极。

13、其中，所述特征长度一般取分级结构的次级结构的径向长度。

14、有益效果

15、使用本发明的无量纲数可以快速预测不同外部分级结构电极的电化学性能，从而迅速寻找到较好的电极结构，达到节省时间、缩短实验测试周期的目的。

技术特征：

1.一种比较外部型多孔分级阵列固体氧化物电极性能的方法,其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种比较外部型多孔分级阵列固体氧化物电极性能的方法,其特征在于，所述步骤1)中使用氧化物烧结法制备外部型阵列多孔分级固体氧化物电极。

3.根据权利要求1所述的一种比较外部型多孔分级阵列固体氧化物电极性能的方法,其特征在于，所述特征长度一般取分级结构的次级结构的径向长度。

4.根据权利要求1所述的一种比较外部型多孔分级阵列固体氧化物电极性能的方法,其特征在于，所述步骤7)中利用计算公式即

技术总结本发明公开一种比较外部型多孔分级阵列固体氧化物电极性能的方法，从而寻找出一个无量纲数，可以快速判断相同材料的外部型阵列多孔分级固体氧化物阴极的催化性能，仅仅比较两个电极的无量纲数大小，就可以预测电极的电化学性能的强弱，从而减少电极制备和测试的周期。技术研发人员：李爱军,朱子镝,张丹受保护的技术使用者：上海大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9