CN102142564B - 硫氧燃料电池LaFeO3基阳极材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于硫氧燃料电池的阳极材料，材料的化学式是La1-xAxFe1-yCoyO3，其中A是碱土金属元素Sr或Ca，x＝0-0.3；y＝0-0.3。该材料可以利用固相反应法、化学共沉淀法和溶胶-凝胶法制备。以该材料、YSZ和La0.7Sr0.3MnO3作为硫氧燃料电池的阳极材料、电解质和阴极材料，以硫蒸气为燃料，空气作为氧化剂，电池的工作温度是600-900℃。当工作温度为800℃时，电压可以达到0.72V。
Description
技术领域：
本发明属于燃料电池领域，该燃料电池可以用于硫磺制硫酸，具体涉及硫氧固体氧化物燃料电池的阳极材料。
背景技术：
硫酸是一种极其重要的化工原料，2010年中国硫酸产量超过七千万吨，约一半的硫酸采用硫磺为原料，即一年超过一千万吨硫磺用来制硫酸。在硫磺燃烧制二氧化硫、二氧化硫转化成三氧化硫过程中产生大量的热，这些热量没有得到高效利用，且尾气中含有二氧化硫排入环境造成环境污染。专利(CN1805195A)提出以硫磺为原料、以固体氧化物燃料电池制备硫酸的方法，实现硫酸、化学发电和环境保护的结合。专利(CN200810022107.0)提出用La0.2Ca0.2CrO3为硫氧燃料电池的阳极材料，在900℃工作温度下，电池的开路电压达到0.67V。
本发明用La1-xAxFe1-yCoyO3(A＝Sr或Ca，x＝0-0.3；y＝0-0.3)为硫氧燃料电池阳极材料，提高了硫氧燃料电池的开路电压，在800℃工作温度下，开路电压达到0.72V。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于硫氧燃料电池的阳极材料。目的是提高现有硫氧燃料电池阳极材料的催化效能。
本发明的阳极材料化学式是La1-xAxFe1-yCoyO3，其中A是碱土金属元素Sr和Ca，x＝0-0.3；y＝0-0.3。材料的制备方法可以采用固相反应法、化学共沉淀法和溶胶-凝胶法等。
该材料可以用固相反应法制备，即将La、Fe、A(Sr或Ca)和Co的氧化物按照La1-xAxFe1-yCoyO3(A＝Sr或Ca，x＝0-0.3；y＝0-0.3)中元素摩尔比混合、球磨1-10小时，用300目不锈钢筛过筛，然后在600-1200℃温度下热处理2-10小时，再球磨1-10小时，过筛即得到该材料粉体。
该材料可以用化学共沉淀法制备，即将La、Fe、A(Sr或Ca)和Co的可溶性盐按照La1-xAxFe1-yCoyO3(A＝Sr或Ca，x＝0-0.3；y＝0-0.3)中元素摩尔比溶解于去离子水中，加入碳酸铵作为沉淀剂至没有沉淀产生为止，将沉淀过滤、洗涤至滤液中检测不到碳酸根为止，将滤饼烘干，研磨后在600-1200℃温度下热处理2-10小时，将材料再研磨过筛即得到该材料粉体。
该材料可以用溶胶-凝胶法制备，即将La、Fe、A(Sr或Ca)和Co的可溶性盐按照La1-xAxFe1-yCoyO3(A＝Sr或Ca，x＝0-0.3；y＝0-0.3)中元素摩尔比溶解于去离子水中，加入柠檬酸作为络合剂，络合剂的摩尔数是金属离子摩尔数之和 的2倍，用HNO3调节pH值达到2-3，80℃保温10-20小时得到溶胶，将溶胶在100℃蒸发去水得到凝胶，将凝胶研磨，研磨后的凝胶在500℃预烧2小时，然后再600-1200℃温度下热处理2-10小时，将热处理得到的材料研磨过筛即得到该材料。
本发明的阳极材料适用于硫氧固体氧化物燃料电池，固体电解质采用钇稳定的二氧化锆或钐掺杂的二氧化铈，阴极材料采用La0.7Sr0.3MnO3。燃料电池的制作过程如下：在固体电解质基片的一面涂覆阳极材料浆料，另一面涂覆阴极浆料，涂覆后的电解质基片在1000-1300℃温度下热处理2-4小时；在阴极、阳极上用铂丝收集电流；将热处理后的涂覆有电极的电解质片用高温银浆粘接在氧化铝管上。在阳极室通入分压为100kPa的硫蒸气，阴极室通入空气。电池工作温度是600-900℃。
具体实施方式：
实施例1
将0.1摩尔La2O3和0.1摩尔Fe2O3进行混合、球磨10小时，将球磨的混合粉体用300目不锈钢筛过筛，放在马弗炉中在1200℃温度下热处理10小时，再球磨过筛即得到LaFeO3材料。
分别以得到的LaFeO3材料、YSZ和La0.7Sr0.3MnO3为阳极材料、电解质和阴极材料制作硫氧燃料电池。在阳极室和阴极室分别通入100kPa的硫蒸气和空气，在工作温度800℃条件下，开路电压为0.68V。
实施例2
将0.1摩尔La(NO3)3、0.1摩尔Fe(NO3)3溶于1升去离子水，向混合溶液中边搅拌边加入浓度为1.0M碳酸铵溶液直到没有沉淀产生为止，将沉淀过滤、将沉淀洗涤至滤液中检测不到碳酸根为止，烘干、研磨，然后将粉体放在马弗炉中在1000℃温度下热处理10小时，研磨过筛后即得到LaFeO3材料。
分别以得到的LaFeO3材料、YSZ和La0.7Sr0.3MnO3为阳极材料、电解质和阴极材料制作硫氧燃料电池。在阳极室和阴极室分别通入100kPa的硫蒸气和空气，在工作温度800℃条件下，开路电压为0.72V。
实施例3
将La(NO3)3、Ca(NO3)2、Fe(NO3)3、Co(NO3)2溶于1升去离子水，四种物质摩尔数分别为0.07、0.03、0.07、0.03，向混合溶液中边搅拌边加入摩尔数是金属离子总摩尔数2倍的柠檬酸，用HNO3调节溶液pH达到2，将溶液80℃保温10小时形成溶胶，进一步在100℃烘干10小时形成凝胶，将凝胶研磨，500℃预烧2小时，然后将粉体放在马弗炉中在900℃温度下热处理8小时，研磨即得到掺杂的LaFeO3材料。
分别以得到的掺杂LaFeO3材料、YSZ和La0.7Sr0.3MnO3为阳极材料、电解质和阴极材料制作硫氧燃料电池。在阳极室和阴极室分别通入100kPa的硫蒸气和空气，在工作温度900℃条件下，开路电压为0.71V。
实施例4
将La(NO3)3、Ca(NO3)2、Fe(NO3)3溶于1升去离子水，三种物质的摩尔数分别为0.07、0.03、0.1，向混合溶液中边搅拌边加入摩尔数是金属离子总摩尔数2倍的柠檬酸，用HNO3调节溶液pH达到2.5，将溶液80℃保温10小时形成溶胶，进一步在100℃烘干10小时形成凝胶，将凝胶研磨，500℃预烧2小时，然后将粉体放在马弗炉中在900℃温度下热处理8小时，研磨即得到掺杂的LaFeO3材料。
分别以得到的掺杂LaFeO3材料、SDC和La0.7Sr0.3MnO3。为阳极材料、电解质和阴极材料制作硫氧燃料电池。在阳极室和阴极室分别通入100kPa的硫蒸气和空气，在工作温度600℃条件下，开路电压为0.70V。
Claims (1)
1.材料在硫氧燃料电池阳极材料中的用途，其特征在于：该材料的化学式为La1-xAxFe1-yCoyO3，其中A是碱土金属元素Sr或Ca，x＝0-0.3，y＝0-0.3；该材料作为硫氧燃料电池的阳极材料，电池以硫蒸气为燃料，工作温度为600-900℃，电池反应产物为三氧化硫，测试开路电压0.68-0.72V。
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