CN103326036B - 活性(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极材料的制备方法及其在HEMAA的应用 - Google Patents
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Abstract
一种活性(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极的制备方法,其特征在于包括以下步骤:(1)将Mn、Co和稀土元素的可溶性盐、络合剂溶于蒸馏水,室温下搅拌均匀;(2)将步骤(1)所得溶液60~200℃低温干燥1~200h,350~500℃中温煅烧2~48h去除有机物;在还原性气氛下,600℃~900℃高温气氛炉中煅烧1~24h,得到粒度为10~1000nm的超细活性混合粉末;(3)将步骤(2)得到的超细MnO、Co和Re2O3活性混合粉末放入模具内,在真空或保护性气氛下,900℃~1400℃高温,20-60MPa压力下,烧结成型。所得电极具有良好室温韧性和导电性。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池领域和高能微弧电沉积技术,更具体地说,是涉及一种具有室温韧性和导电性的活性(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极的制备方法(Re代表稀土元素La、Y、Dy)。
背景技术
在作为高效洁净能源的各种燃料电池中,固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell)是一种新型发电装置,是一种工作温度在650-1000℃之间,可以以多种燃料为还原剂,以纯氧或空气中的氧为氧化剂,通过电极反应把化学能直接转变为电能的发电装置,较高的工作温度使其热电综合效率很高,且能够实现作为燃料的碳氢化合物的内部重整,不需要贵金属催化剂,在应用上表现了良好的前景。其高效率、无污染、全固态结构、无需使用贵金属催化剂和对多种燃料气体的广泛适应性等是其广泛应用的基础。因此,固体氧化物燃料电池被认为是非常有竞争力的发电系统,特别适合用作分散的电站。事实上,固体氧化物燃料电池可用于发电、热电联供、交通、空间宇航和其它许多领域,被称为二十一世纪的绿色能源,正引起各国科学家的广泛兴趣。
但是固体氧化物燃料电池通常在高温下运行,过高的工作温度也 引起了一些不容忽视的问题,如对材料的性能提出了很高的要求,严重影响到电池运行的寿命和稳定性。同时也在很大程度上推高了固体氧化物燃料电池的制造成本,阻碍了其大规模商业化运营。由于固体氧化物燃料电池阴极侧处于氧化性气氛中,在此条件下的金属材料不可避免的会发生氧化。基于对氧化性能和导电性能的综合考虑,目前对于阴极环境下的金属材料如金属连接器材料,通常在其表面施加特殊的高温耐蚀导电陶瓷涂层。尖晶石型氧化物通式为AB2O4型,是离子晶体中的一个大类,结构中O2-离子作立方紧密堆积,其中A离子填充在四面体空隙中,B离子在八面体空隙中,即A2+离子为4配位,而B3+为6配位。
与钙钛矿型氧化物相比,尖晶石型氧化物不仅具备高温抗氧化性和导电性好的特点,而且具有热膨胀系数与金属匹配。在800℃时(Mn,Co)3O4尖晶石的电导率是La(Sr)CrO3的3倍,氧离子传导率接近于相同条件下La(Sr)FeO3氧离子传导率的百分之一。在25℃-1000℃时(Mn,Co)3O4尖晶石的热膨胀系数为12.1×10-6K-1,与常用的金属连接器的热膨胀系数相当。综合考虑,尖晶石型氧化物极有可能成为新的金属连接器高温耐蚀导电涂层。
众所周知,涂层的制备方法明显影响涂层及涂层/金属界面微观结构,进而影响涂层的高温氧化和导电性能。如电沉积制备尖晶石涂层,制备过程受制于工件表面形状,如连接器凹槽状结构,且这种方法成本较高不易获得较厚涂层。等离子喷涂适合于制备成分复杂和大厚度的涂层,但也存在涂层不致密、空隙率高,经受热循环时易剥落,成 本较高等缺点。溶胶凝胶法和料浆法经济实用,但是涂层致密性、涂层/金属界面结合、涂层厚度与开裂等问题难以解决。高能微弧电沉积技术(HEMAA)是近些年来发展的制备高温耐蚀导电涂层的新方法,涂层制备过程中瞬时放电电流可达到105-106A/cm2,放电微区产生约8000-25000℃的高温,可以形成冶金型牢固结合的沉积层。由于是瞬间的高温-冷却过程,对基体热影响区小所获涂层具有微晶或纳米晶结构。而且还有涂层材料消耗量较小,不受基体材料的限制,易于操作,成本低的优点。
要想满足固体氧化物燃料电池金属连接器防护涂层的商业化运营,HEMAA将会是一个有竞争力的涂层制备方式。
发明内容
为了改善固体氧化物燃料电池氧化性气氛中金属材料(如金属连接体)的高温抗氧化性能和导电性能,本发明提供一种具有室温韧性和导电性的活性(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极的制备方法。
本发明的技术方案为:
一种活性(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极的制备方法,包括以下步骤:
(1)配制含有Mn、Co、稀土元素的溶液:将Mn、Co和稀土元素的可溶性盐、络合剂溶于蒸馏水,室温下搅拌0.1~10h,混合均匀;
所得溶液中金属离子按物质的量比例如下,稀土元素:Co=(0~0.5):(1~0.5),而且(稀土元素+Co):Mn=1:(0.5~2);
络合剂浓度为所有金属离子浓度和的1~4倍;所述的络合剂为柠 檬酸或者EDTA-2Na;
所述的稀土元素为选择性添加的材料,是La、Y、Dy任一种或任意混合物;
所述的Mn、Co和稀土元素的可溶性盐,如硝酸盐;
(2)细MnO、Co和稀土氧化物(Re2O3)粉末的制备:将步骤(1)所得溶液60~200℃低温干燥1~200h,350~500℃中温煅烧2~48h去除有机物;在还原性气氛下,600℃~900℃(优选700℃~850℃)高温气氛炉中煅烧1~24h,得到粒度为10~1000nm的超细活性混合粉末;还原性气氛为氢气与氩气的混合气,体积比例为(1~5%)H2+(99~95%)Ar。
(3)尖晶石混合电极的制备:将步骤(2)得到的超细MnO、Co和Re2O3活性混合粉末放入模具内,在真空或保护性气氛(如氩气气氛)下,900℃~1400℃高温,20-60MPa压力下,烧结成型。
该电极可以由金刚石切刀加工成满足高能微弧电沉积要求的棒材,用于高能微弧电沉积中,给金属基体表面制备高温耐蚀导电涂层,制备的涂层具有好的高温抗氧化性能,与金属基体具有相近的热膨胀系数和化学相容性,满足商业化运营的固体氧化物燃料电池用金属基材料的防护需求。
有益效果:
本发明制备的(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极具有以下特点:(1)采用溶胶凝胶法制备纳米级超细MnO、Co和Re2O3粉末,由超细活性粉末烧结尖晶石混合电极,混合均匀,烧结致密。(2)由于金属Co的 均匀分布与烧结,提供混合电极良好的室温韧性,也提供了良好的导电性,非常适合作为高能微弧电沉积的电极。(3)用此电极制备的涂层材料具有好的高温抗氧化性能,与金属基体具有相近的热膨胀系数和化学相容性,使其满足商业化运营的固体氧化物燃料电池用金属基材料的防护需求。
具体实施方式
实施例1
一种活性(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极的制备方法,步骤如下:
(1)将金属离子物质的量比为La:Co=0.5:0.5,而且(La+Co):Mn=1:1的硝酸锰、硝酸钴、硝酸镧和柠檬酸化合物用蒸馏水全部溶解,柠檬酸浓度为La、Co、Mn离子浓度和的2倍。将配好的溶液采用磁力搅拌器,室温下搅拌3h。
(2)将搅拌好的溶液在200℃低温干燥1h,再在350℃中温煅烧48h去除有机物。最后在5%H2和95%Ar气氛下,600℃高温气氛炉中煅烧24h,得到粒度为10~1000nm的超细活性混合粉末。
(3)将得到的超细MnO、Co和La2O3活性混合粉末放入模具内,在氩气气氛下,1400℃高温20MPa压力下,烧结成型,再加工成所需要的棒材。所得棒材在800℃~900℃高温电导率为80~100S/cm,热膨胀系数为11.6×10-6K~12.5×10-6K,具有较好的高温电导率,以及较匹配的热膨胀系数(相对于常用的高温金属连接体而言如crofer22Apu)
实施例2
一种活性(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极的制备方法,步骤如下:
(1)将金属离子物质的量比为(La+Dy):Co=(0.05+0.05):0.9,而且(La+Dy+Co):Mn=1:0.5的硝酸锰、硝酸钴、硝酸镧、硝酸镝和柠檬酸化合物用蒸馏水全部溶解,柠檬酸浓度为La、Co、Dy、Mn离子浓度和的3倍。
(2)将配好的溶液采用磁力搅拌器,室温下搅拌10h。将搅拌好的溶液在100℃低温干燥80h,再在400℃中温煅烧20h去除有机物。最后在3%H2和97%Ar气氛下,800℃高温气氛炉中煅烧5h,得到粒度为10~1000nm的超细活性混合粉末。
(3)将得到的超细MnO、Co和La2O3活性混合粉末放入模具内,在氩气气氛下,1300℃高温30MPa压力下,烧结成型,再加工成所需要的棒材。
实施例3
一种活性(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极的制备方法,步骤如下:
(1)将金属离子物质的量比为Co:Mn=1:2的硝酸锰、硝酸钴和EDTA2Na化合物用蒸馏水全部溶解,EDTA2Na浓度为Co、Mn离子浓度和的1倍。
(2)将配好的溶液在60℃低温干燥200h,再在500℃中温煅烧2h去除有机物。最后在2%H2和98%Ar气氛下,900℃高温气氛炉中煅烧1h,得到粒度为10~1000nm的超细活性混合粉末。
(3)将得到的超细MnO、Co和La2O3活性混合粉末放入模具内,在氩气气氛下,900℃高温60MPa压力下,烧结成型,再加工成所需 要的棒材。所得棒材在800℃~900℃高温电导率为80~100S/cm,热膨胀系数为11.6×10-6K~12.5×10-6K,具有较好的高温电导率,以及较匹配的热膨胀系数(相对于常用的高温金属连接体而言如crofer22Apu。
实施例4
一种活性(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极的制备方法,步骤如下:
(1)将金属离子物质的量比为Y:Co=0.2:0.8,而且(Y+Co):Mn=1:2的硝酸锰、硝酸钴、硝酸钇和EDTA2Na化合物用蒸馏水全部溶解,EDTA2Na浓度为Y、Co、Mn离子浓度和的4倍。
(2)将配好的溶液在80℃低温干燥150h,再在450℃中温煅烧15h去除有机物。最后在1%H2和99%Ar气氛下,750℃高温气氛炉中煅烧10h,得到粒度为10~1000nm的超细活性混合粉末。
(3)将得到的超细MnO、Co和La2O3活性混合粉末放入模具内,在真空环境下,1000℃高温40MPa压力下,烧结成型,再加工成所需要的棒材。所得棒材在800℃~900℃高温电导率为80~100S/cm,热膨胀系数为11.6×10-6K~12.5×10-6K,具有较好的高温电导率,以及较匹配的热膨胀系数(相对于常用的高温金属连接体而言如crofer22Apu。
实施例5
一种活性(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极的制备方法,步骤如下:
(1)将金属离子物质的量比为(La+Dy+Y):Co=(0.05+0.05+0.05):0.85,而且(La+Dy+Y+Co):Mn=1:0.8的硝酸锰、硝酸钴、硝 酸镧、硝酸镝、硝酸钇和柠檬酸化合物用蒸馏水全部溶解,柠檬酸浓度为La、Co、Dy、Y、Mn离子浓度和的3倍。
(2)将配好的溶液采用磁力搅拌器,室温下搅拌4h。将搅拌好的溶液在140℃低温干燥60h,再在400℃中温煅烧20h去除有机物。最后在3%H2和97%Ar气氛下,800℃高温气氛炉中煅烧5h,得到粒度为10~1000nm的超细活性混合粉末。
(3)将得到的超细MnO、Co和La2O3活性混合粉末放入模具内,在氩气气氛下,1100℃高温25MPa压力下,烧结成型,再加工成所需要的棒材。所得棒材在800℃~900℃高温电导率为80~100S/cm,热膨胀系数为11.6×10-6K~12.5×10-6K,具有较好的高温电导率,以及较匹配的热膨胀系数(相对于常用的高温金属连接体而言如crofer22Apu。
实施例6
一种活性(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极的制备方法,步骤如下:
(1)将金属离子物质的量比为Dy:Co=0.3:0.7,而且(La+Co):Mn=1:1.5的硝酸锰、硝酸钴、硝酸镝和柠檬酸化合物用蒸馏水全部溶解,柠檬酸浓度为Dy、Co、Mn离子浓度和的1.5倍。将配好的溶液采用磁力搅拌器,室温下搅拌6h。
(2)将搅拌好的溶液在110℃低温干燥4h,再在420℃中温煅烧24h去除有机物。最后在4%H2和96%Ar气氛下,800℃高温气氛炉中煅烧6h,得到粒度为10~1000nm的超细活性混合粉末。
(3)将得到的超细MnO、Co和La2O3活性混合粉末放入模具内, 在氩气气氛下,950℃高温50MPa压力下,烧结成型,再加工成所需要的棒材。所得棒材在800℃~900℃高温电导率为80~100S/cm,热膨胀系数为11.6×10-6K~12.5×10-6K,具有较好的高温电导率,以及较匹配的热膨胀系数(相对于常用的高温金属连接体而言如crofer22Apu。
Claims (3)
1.一种活性(Mn,稀土元素,Co)3O4尖晶石混合电极的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)配制含有Mn、Co、稀土元素的溶液:将Mn、Co和稀土元素的可溶性盐、络合剂溶于蒸馏水,混合均匀;
所得溶液中金属离子的摩尔比如下,稀土元素:Co=(0~0.2):(1~0.8)且稀土元素用量大于0,而且(稀土元素+Co):Mn=1:(0.5~1);
所述的络合剂为柠檬酸或者EDTA-2Na;络合剂浓度为所有金属离子浓度和的2~3倍;
所述的稀土元素是La、Y、Dy任一种或多种;
所述的Mn、Co和稀土元素的可溶性盐为硝酸盐;
(2)细MnO、Co和稀土氧化物粉末的制备:将步骤(1)所得溶液60~200℃低温干燥1~200h,350~500℃中温煅烧2~48h去除有机物;在还原性气氛下,600℃~900℃高温气氛炉中煅烧1~24h,得到粒度为10~1000nm的超细活性混合粉末;
还原性气氛为氢气与氩气的混合气,比例为(1~5% )H2+(99~95%)Ar;
(3)尖晶石混合电极的制备:将步骤(2)得到的细MnO、Co和稀土元素氧化物的活性混合粉末放入模具内,在真空或氩气气氛下,900℃~1400℃高温,20-60MPa压力下,烧结成型。
2.根据权利要求1所述的活性(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极的制备方法,其特征在于步骤(2)中溶液在60~200℃低温干燥24~72h;在还原性气氛下,在700℃~850℃高温气氛炉中煅烧1~24h,得到粒度为10~1000nm的超细活性混合粉末。
3.权利要求1所述的活性(Mn,Re,Co)3O4尖晶石混合电极在高能微弧电沉积技术的应用。
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