Penghasilan dan pencirian katod konduksi tigaan LiCo1-xMxO2 (M = Ti, Ca atau Zr) untuk sel fuel oksida pepejal pengalir proton

Abstract

Pemilihan bahan katod memainkan peranan penting dalam menentukan prestasi sel fuel oksida pepejal pengalir proton (H+-SOFC) bersuhu sederhana. Namun, pembuatan bahan katod kini masih berhadapan cabaran dari segi rintangan pengutuban berpunca oleh pembentukan air pada bahagian katod. Pengedopan unsur terpilih ke atas bahan katod berasaskan LiCoO2 bertujuan untuk meningkatkan prestasi katod pengalir tigaan (H+/O2-/e-). Justeru, kajian ini bertujuan untuk menghasilkan dan mencirikan sifat terma, fizikal, elektrik dan elektrokimia katod LiCo0.8M0.2O2 (LCMO) dengan bahan dopan berlainan, M (M = Ti, Ca atau Zr). Serbuk LCMO disintesis melalui kaedah pembakaran glisina-nitrat. Serbuk kemudiannya melalui proses pencirian analisis termogravimetri (TGA) untuk menentukan julat suhu kalsin yang sesuai. Serbuk akan melalui proses pembelauan sinar-X (XRD) bagi menentukan struktur hablur serbuk yang dikalsin. Sel simetri LCMO|BaZr0.7Ce0.2Y0.1O3-δ (BZCY)|LCMO dihasilkan melalui teknik pencetakan skrin. Kekonduksian elektrik dan prestasi elektrokimia katod LCMO ditentukan menggunakan kaedah van de Pauw dan analisis spektroskop impedans elektrokimia (EIS) dalam persekitaran udara biasa dan udara lembap. Morfologi keratan rentas sel simetri dilakukan untuk melihat sebarang perubahan kesan pendedahan dengan udara lembap menggunakan mikroskop elektron imbasan pancaran medan (FESEM). Keputusan TGA mencadangkan suhu pengkalsinan terbaik bagi serbuk LCMO ialah lebih daripada 700 °C. Berdasarkan analisis XRD, suhu 800 °C dipilih sebagai suhu pengkalsinan yang optimum kerana serbuk LCMO yang dikalsin menunjukkan darjah penghabluran yang tinggi. Pencirian morfologi pada keratan rentas sel simetri menunjukkan tiada pelekangan berlaku antara LCCO dan LCZO dengan elektrolit BZCY, namun katod LCTO tidak dapat membentuk lapisan katod yang sempurna, menyebabkan kajian diteruskan dengan dua katod yang lain sahaja. Kekonduksian elektrik LCCO dan LCZO yang diukur pada suhu 800 °C masing-masing adalah sebanyak 977.00 S/cm dan 1094.45 S/cm. Nilai kekonduksian elektrik turut melebihi julat kebolehterimaan ( > 100 S/cm). Nilai rintangan tentu luas (ASR) bagi LCCO dan LCZO pada suhu operasi 800 °C dalam udara biasa ialah 1.95 Ω cm2 dan 5.90 Ω cm2, masing-masing manakala di dalam udara basah pula kedua-duanya adalah 3.19 Ω cm2. Morfologi keratan rentas sel simetri selepas didedahkan di dalam udara basah pula menunjukkan tiada pengecutan yang mendadak terhadap LCZO berbanding LCCO. Secara keseluruhannya, kewujudan bahan dopan berbeza mempengaruhi prestasi keseluruhan katod LCMO. Kesimpulannya, katod LCZO menunjukkan prestasi yang paling baik dan berpotensi untuk aplikasi H+-SOFC berdasarkan kajian ini.