应用分享 | XPS多种表征方法综合分析固体氧化物燃料电池

21世纪以来，人类社会取得快速发展，对能源的需求日益增强。然而，随着煤、石油、天然气等化石能源的不断消耗，能源匮乏和环境污染问题随之出现，研究开发清洁、高效的新能源就显得尤为重要。燃料电池自问世以来，因其清洁、能源转化效率高等特点，得到快速发展，在多个领域有广泛的应用，成为人们研究的热点材料。燃料电池是一种采用电化学反应的发电装置，按电解质类型可分为：碱性燃料电池(AFC）、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)五大类。其中，SOFC在电化学反应中主要的产物是CO₂和水，具有发电效率高（自身发电效率接近60%，与热气轮机联用效率可达80%以上）、余热品质高、燃料选用范围广（可使用氢气、天然气、煤制气、生物质气、甲醇等气体）、清洁污染少、成本低（不需要贵金属催化剂）、适应性强等优势，是一类具有广阔应用前景的燃料电池。SOFC装置结构，如下图1所示。

由图1可知，SOFC装置主要由多孔的阴极、致密的固体氧化物电解质和阳极组成。SOFC需要在较高的温度（500~1000℃）下工作，这就对电池各部分材料的性能提出较高的要求，主要分为以下几方面：

在SOFC研究中，电池在高温工作前后，材料会发生变化，为研究这些变化信息，科研人员需要研究以下问题：

1. 如何表征SOFC表面的变化，评估材料性能及温度的影响；

2. 如何表征SOFC表面催化剂的变化，评估催化剂活性；

3. 如何获得SOFC中不同层及层界面间的信息，来评估不同层结构性能，研究电池材料热循环机理。

由于SOFC工作中的电化学反应及变化往往发生在材料表面，这就给表征分析带来困难，电池材料研究中常用的表征手段难以取得好的表征效果；而XPS作为一种成熟的表面分析技术，由于其测试的表面敏感性，通常被用于材料的表面分析研究。对于SOFC材料，XPS能很好解决其表征难题。通过常规XPS+ARXPS+离子束深度剖析测试的解决方案，可得到丰富的样品信息，实现对SOFC材料的全面评估：

选择SOFC为测试样品，电池材料结构如下图2所示。通过退火处理（600℃下，空气中煅烧1 h）来模拟SOFC在高温下的工作状态。

本文主要通过XPS设备，采用多种表征方式，测试退火前后的SOFC材料，分析其在此过程中发生的变化。可选赛默飞XPS设备来进行测试表征，如下图3所示。

退火前后，为比较阴极材料表面元素变化情况，对元素进行相对定量分析，如下表1所示。

由上表1可知，退火前后阴极材料表面元素相对含量有如下变化：

为进一步研究阴极材料表面化学态变化信息，可通过元素高分辨窄扫谱图来进行分析评估。退火前后，阴极材料表面各元素谱图，如下系列图所示。