DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c00317

La1-xSrxCo1-yFeyO3-δ（LSCF）和La1-xSrxMnO3-δ（LSM）是固体氧化物燃料电池（SOFC）的典型正极材料。通过静电纺丝技术制备的这些材料的纳米纤维具有优异的电化学性能。本工作对这两种材料的静电纺丝工艺进行了详细研究。测试了静电纺丝溶液的粘度和电导率。重点评估了硝酸盐浓度对不滴落液滴最小电压（Vmin）的影响。为了直观地了解静电纺丝过程，研究者提出了静电纺丝理论模型。结果表明，在静电纺丝溶液中加入LSCF和LSM硝酸盐，溶液粘度比无硝酸盐溶液增加了3倍，电导率和Vmin随之增加。纳米纤维的尺寸和形态不同可能取决于元素的类型、化合价态和每单位体积中金属离子的含量。结果表明，通过施加17-26kV的Vmin可获得相对均匀的纳米纤维，粘度和电导率的适当值分别为470.6-2267mP·s和7.69-17.07mS/cm。本工作的研究结果对LSM/LSCF纳米纤维电极的产业化和通过静电纺丝制备其他SOFC纳米纤维正极具有一定的参考价值。

图1.不同溶液体系的粘度。（a）不含硝酸盐的PVP溶液；（b）LSM-PVP溶液；（c）LSCF-PVP溶液；（d）硝酸盐溶液中的水含量；（e）硝酸盐溶液中二价金属离子的重量比。

图2.不同溶液体系的电导率。（a）不含硝酸盐的不同PVP浓度的PVP溶液；（b）不同硝酸盐摩尔浓度的LSM溶液；（c）不同硝酸盐摩尔浓度的LSCF溶液。

图3.静电纺丝过程示意图。（a）一个小型静电纺丝喷射区；（b）一个中型静电纺丝喷射区；（c）一个大型静电纺丝喷射区。滚筒收集器的长度为235mm，直径为75mm；fe-field是两个电极之间的吸引力；fcharge2是不同射流之间的电荷排斥力；fcharge3是前进射流中的库仑排斥力；G是针上液滴的重力。

图4.不同溶液体系中不滴落液滴的最小电压。（a）LSM静电纺丝溶液；（b）LSCF静电纺丝溶液；（c）比较LSCF和LSM溶液的Vmin值。不同溶液的粘度和电导率如图1和2所示。流速为0.5mL/h；针头为23G；针与收集器之间的距离为12cm；滚筒收集器的速度为100rpm。

图5.当硝酸盐浓度为0.33mol/L时，具有不同PVP浓度的电纺纳米纤维的SEM图像。（a-e）从LSM静电纺丝溶液中获得的纳米纤维。（f-j）从LSCF静电纺丝溶液中获得的纳米纤维。电压为Vmin，如图4所示：（a）5w/v％；（b）7w/v％；（c）9w/v％；（d）11w/v％；（e）13w/v％；（f）5w/v％；（g）7w/v％；（h）9w/v％；（i）11w/v％；（j）13w/v％。

图6.当PVP为11w/v％时，具有不同硝酸盐浓度的电纺纳米纤维的SEM图像。（a-d）从具有不同摩尔浓度水平的LSM静电纺丝溶液中获得的纳米纤维。（e-h）从具有不同摩尔浓度水平的LSCF静电纺丝溶液中获得的纳米纤维。电压为Vmin，如图4所示：（a）0.14mol/L；（b）0.22mol/L；（c）0.33mol/L；（d）0.5mol/L；（e）0.14mol/L；（f）0.22mol/L；（g）0.33mol/L；（h）0.5mol/L。

图7.由不同溶液体系产生的纳米纤维的平均直径。（a）LSM静电纺丝溶液；（b）LSCF静电纺丝溶液；（c）比较由LSCF静电纺丝溶液和LSM静电纺丝溶液制备的电纺纳米纤维的直径。