阳极的催化活性水平决定了燃料电池中燃料被电化学氧化的效率。在阳极条件下，也就是还原气氛中，大部分贵金属和过渡金属能够提供理想的活性。然而在中温条件下，只有一系列选定的金属能够满足整套条件，例如高的形态和尺度稳定性，以及低的热膨胀失配。目前，镍是用作SOFC阳极材料的最普遍金属。理想的阳极材料总电导率应该具有电子和离子成分。离子导电性被广泛接受为增大反应区的必要导电机制。

图9.1 在1350℃(图9.1a)、1400℃(图9.1b)、1450℃(图9.1c)和1500℃(图9.1d)下烧结的La_0.8Sr_0.2Ga_0.8Mg_0.15Co_0.05O_3-δ(LSGMC)的扫描电镜图片

图9.2 标准电池的横截面

9.2.2.1 镍/稀土金属掺杂的铈基陶瓷

人们普遍认为，异价掺杂氧化铈溶液的离子导电性在一定掺杂物浓度和阳离子半径情况下显示出最大值。然而，与二价阳离子掺杂相比，氧化铈中的三价掺杂物被认为具有更高的导电性。在三价稀土金属中，钐和钆被认为是最有效的掺杂物。因此，我们选择了由镍和20％钐的掺杂铈(SDC)作为我们标准电池的阳极材料^［12-14］。

对于阳极的制备，由氧化镍和Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ(SDC)混合物的浆体被丝印到电解质上。烧制过程包含了1100～1300℃温度下在空气中对丝印阳极层在电解质上进行3h的处理。氧化镍和SDC混合物的相对数量和粒径比通过这种方式被优化，这种方式生成的微观结构在燃料电池的运行情况下可以抑制还原镍颗粒的长大。图9.3a显示了Ni-SDC阳极典型的空气焙烧微结构，多孔阳极的平均厚度约为30～50μm。(www.daowen.com)

图9.3 阳极(图9.3a)和阴极(图9.3b)的SEM图像

除了镍晶粒的长大，阳极过电位不容许增加的其他原因是SDC粒子造成的镍网络堵塞，阳极和电解质之间的附着力差，镍上甲烷的原位蒸气重整反应慢，三相边界的有效长度不足等。为了克服这些问题，将特定的过渡金属纳米尺寸颗粒引入到阳极以调整其形态。为了实现这一点，我们选择了将钌在镍和SDC陶瓷中进行分散。

人们通过使用改性的批量SDC粉末来制备镍—钌—SDC阳极。SDC较为粗糙的颗粒与氯化钌混合形成悬浮液。钌离子还原之后，生成的粉末被分离并干燥。图9.4显示了根据前述制备方法生成的1wt％(图9.4a)和10wt％(图9.4b)钌分散SDC颗粒的透射电子显微镜(TEM)图像。另一方面，通过这种方式确定了最优值，当与氧化镍混合形成阳极时，钌浓度应该为1wt％，正如从广泛使用的贵金属催化剂^［15］的构成中预计的那样。

图9.4 1wt％(图9.4a)和10wt％(图9.4b)浓度的钌分散SDC(NiO和Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ)颗粒

在三价稀土金属中，钆和铈一起生成固溶体来提高其离子导电性。另一方面，阳极的催化活性能够通过在陶瓷基体^［15］植入高分散镍颗粒进一步改善，通过镍颗粒延迟烧结改善阳极的长期稳定性。