CN106025315A - 一种改性lscm电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改性的LSCM电极，为NiO纳米片阵列修饰的LSCM电极,其制备方法为采用传统的水热合成方法原位生长NiO纳米阵列，NiO纳米阵列由统一的并且相连的厚度为90‑110nm的纳米片构成，长度大约为1‑2μm。经过还原处理之后，仍然保持其纳米结构。由于独特的纳米结构，可以明显提高LSCM电极的比表面积和缩短电荷转移的路径；同时Ni其自身对H2、CH4等燃料气和水蒸气、二氧化碳等都具有高效的催化作用，有效改善了LSCM电极的电化学性能，可以有效提高中高温固体氧化物燃料电池的输出功率和中高温固体氧化物电解池的电解效率。

Description

一种改性LSCM电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种改性LSCM电极及其制备方法，属于中高温固体氧化物燃料电池和中高温固体氧化物电解池领域。
背景技术
由于化石燃料的储量是有限的，同时化石燃料的大量生产和消耗使全球变暖和气候变化等问题日益严重，清洁可再生能源能够有效地缓解环境问题，因此研究开发和使用清洁可再生能源已经成为社会的迫切需求。燃料电池技术，可以直接将燃料中的化学能转换为电能，不需要进行燃烧，能量转换率可达60％～80％，而且污染少、噪音小、装置可大可小、非常灵活。实验证明，使用氢燃料电池的汽车排碳量只有常规内燃机的30％，造成的大气污染仅为内燃机的5％；同时固体氧化物电解池是燃料电池的逆过程，可高效的生产燃料，能够直接、高效地利用风能、水能、太阳能、地热能等清洁能源所产生的电能，将水蒸气直接电解为氢气和氧气，实现电能到化学能的转变。这种制氢方法具有清洁环保、无污染，制备的氢气纯度高，电解效率高，电解过程中可以利用废热等优点而具有广阔的发展前景。
铬酸锰锶镧(LSCM)是一种离子-电子混合导体，在研究直接以碳氢化合物为燃料的SOFC阳极材料中受到人们的关注。在一些工作中也证明了LSCM显示出较好的甲烷重整催化活性。陶等人采用LSCM作为SOFC的阳极，通过优化其微结构，以甲烷(3％H2O)作为燃料时，950℃下功率密度达到了0.2W cm-2。谢等人采用LSCM作为SOEC的阴极在700℃电解水蒸气时，电流效率达到了60％；在800℃电解二氧化碳时的电流效率为60％。但是在实际应用中，LSCM本身低的催化活性限制了SOFCs和SOECs性能的进一步提高。为了弥补LSCM电极的不足，通常采用在LSCM电极中浸渍Ni、Fe等金属纳米颗粒，或者Ce的氧化物的方法来提高其催化活性或改善其电导率等性能。但是浸渍的纳米颗粒面临高温环境晶粒容易长大，发生团聚等问题；同时浸渍也会带来活性剂分布不均匀，活性层厚度难以控制等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种简单，方便，能够很好改善LSCM电极的电化学性能的电极及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种改性LSCM电极，所述的改性LSCM电极为NiO纳米片阵列修饰的LSCM电极。
优选地，所述的改性LSCM电极，使用水热合成方法使LSCM电极表面原位生长NiO纳米片阵列。
优选地，所述的NiO纳米阵列由厚度为90-110nm的纳米片构成，长度为1-2μm。
优选地，一种改性LSCM电极的制备方法，具体步骤如下：
(1)将Ni(NO3)2·5H2O,NH4F和CO(NH2)2溶于去离子水中，使用磁力搅拌机在常温下搅拌20-40min，形成均匀透明的前驱体溶液；
(2)将前驱体溶液转移到水热釜中；
(3)将LSCM空白电极垂直浸入前驱体溶液中；
(4)将水热釜密封好，然后在真空干燥箱于90-110℃保温9-11h；
(5)自然冷却到室温后，取出样品，并用去离子水和酒精清洗；
(6)将清洗后的样品置于高温炉中，于340-360℃处理1.8-2.1h，即可。
优选地，步骤(1)中Ni(NO3)2·5H2O、NH4F、CO(NH2)2的摩尔比为1：4：1。
本发明的有益效果在于：
通过水热法在LSCM电极表面原位生长NiO纳米阵列，一方面NiO纳米阵列具有独特的纳米结构，可以明显提高LSCM电极的比表面积和缩短电荷转移的路径；另一方面Ni其自身对H2、CH4等燃料气和水蒸气、二氧化碳等都具有高效的催化作用，可以在不同方面有效改善LSCM电极的电化学性能，有效提高中高温固体氧化物燃料电池的输出功率和中高温固体氧化物电解池的电解效率。并且该制备方法具有简单、经济的特点。
附图说明
图1为实施例1中NiO纳米阵列修饰的LSCM电极的表面扫描电子显微图；
图2为实施例1中NiO纳米阵列修饰的LSCM电极在500℃、5％H2/Ar气氛中还原处理5小时后扫描电子显微图；
图3为实施例2中NiO纳米阵列修饰的LSCM对称电池在800℃不同氢分压下的极化电阻。
具体实施方式
下面结合具体事例针对本发明作进一步说明。
实施例1
NiO纳米阵列修饰的LSCM电极的制备方法，具体步骤如下：
称取1.25mmol Ni(NO3)2·5H2O,5mmol NH4F和12.5mmol CO(NH2)2；将上述药品溶于35ml去离子水中，使用磁力搅拌机在常温条件下搅拌30min，形成均匀透明的前驱体溶液，将溶液转移到不锈钢高温反应水热釜中，将LSCM空白电极垂直浸入前驱体溶液中，然后将水热釜密封好，在真空干燥箱于100℃保温10小时。自然冷却到室温后，取出样品，并用去离子水和酒精清洗，然后将样品在高温炉中350℃处理2小时，即可得到NiO纳米阵列修饰的LSCM电极，即为改性LSCM电极。
图1为本发明中NiO纳米阵列修饰的LSCM电极的表面扫描电子显微图。从图中可以看出NiO纳米阵列由统一的并且相连的厚度为100nm的纳米片构成，长度大约为1-2μm。
图2为本发明中NiO纳米阵列修饰的LSCM电极在500℃、5％H2/Ar气氛中还原处理5小时后扫描电子显微图。从图中可以看出经过还原处理后，其纳米阵列结构没有发生明显的结构变化，基本保持结构稳定。
实施例2
以NiO纳米阵列修饰的LSCM作为电极，YSZ作为电解质装配的对称电池的阻抗测试。
将LSCM粉末和钇稳定氧化锆(YSZ)以质量比65:35均匀混合，适当加入乙基纤维素松油醇制成浆料，均匀地涂在致密的钇稳定氧化锆(YSZ)电解质的表面，经1000℃温度下煅烧3个小时，制成LSCM对称电池。经过上述水热法处理之后，即可获得的NiO纳米阵列修饰的LSCM电极的对称电池。用对称电池进行阻抗测试，得到在800℃不同氢分压条件下的极化电阻。
图3为本发明中NiO纳米阵列修饰的LSCM对称电池在800℃不同氢分压下的极化电阻。从图中可知随着氢气浓度的升高，其极化电阻在不断降低，在100％氢气时，极化电阻为0.25Ω·cm2。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种改性LSCM电极，其特征在于：所述的改性LSCM电极为NiO纳米片阵列修饰的LSCM电极。
2.根据权利要求1所述的改性LSCM电极，其特征在于：使用水热合成方法使LSCM电极表面原位生长NiO纳米片阵列。
3.根据权利要求1所述的改性LSCM电极，其特征在于：所述的NiO纳米阵列由厚度为90-110nm的纳米片构成，长度为1-2μm。
4.一种改性LSCM电极的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)将Ni(NO3)2·5H2O,NH4F和CO(NH2)2溶于去离子水中，使用磁力搅拌机在常温下搅拌20-40min，形成均匀透明的前驱体溶液；
(2)将前驱体溶液转移到水热釜中；
(3)将LSCM空白电极垂直浸入前驱体溶液中；
(4)将水热釜密封好，然后在真空干燥箱于90-110℃保温9-11h；
(5)自然冷却到室温后，取出样品，并用去离子水和酒精清洗；
(6)将清洗后的样品置于高温炉中，于340-360℃处理1.8-2.1h，即可。
5.根据权利要求4所述的改性LSCM电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中Ni(NO3)2·5H2O、NH4F、CO(NH2)2的摩尔比为1：4：1。
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