CN106498435B - 一种固体氧化物电解池阴极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电解池领域，并公开了一种固体氧化物电解池阴极材料，其特征在于，其组成分子式为LaxSr0.9‑xTi0.6Ni0.4O3‑δ，其中x取值为0.2‑0.8，δ表示氧空位的数量。本发明制备的LaxSr0.9‑xTi0.6Ni0.4O3‑δ颗粒小，活性高，表面原位析出的纳米Ni金属颗粒不会被氧化，在电解过程中不需要还原气氛保护，且在高电解电压下结构仍然保持稳定，具有很好的电催化性能，适合作为高温固体氧化物电解池的阴极材料。
Description
技术领域
本发明属于电解池领域，更具体地，涉及一种固体氧化物电解池阴极材料及其制备方法。
背景技术
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，其中高温固体氧化物电解池是一种可将二氧化碳转化为一氧化碳燃料的一种高效装置。在高温电解池中，阴极材料直接影响了电极反应动力学过程，对二氧化碳裂解的催化活性是至关重要的。阴极材料需要具有足够的氧离子电导率来保证向电解质传输氧离子，同时，也需要有良好的电子电导率来充分保证在阴极进行还原反应。二氧化碳被供给到阴极，然后被催化裂解为一氧化碳和氧离子，氧离子在所加电解电位差的驱动下通过电解质膜中的氧空位传向阳极，而剩下的一氧化碳气体从阴极扩散出去。目前，高温电解池中应用最多的是燃料电池中的镍基金属陶瓷复合电极，这种电极作为燃料电池的阳极不仅对氢气等有极佳的催化活性，还有良好的电子电导率等。然而，作为电解池的阴极，镍基金属陶瓷复合电极就显得不是那么适合了，首先，它需要还原气氛来维持镍的金属状态，否则就会被二氧化碳氧化。其次，长时间高温运行的电解池会急剧的减少镍基阴极的三相界面，从而导致电池性能的下降。与此对应的LaxSr1-xCryMn1-yO3-δ(LSCMO)是一种催化活性高且氧化还原稳定的钙钛矿材料，具有非常小的极化电阻，在高温固体氧化物电解池领域引起了巨大的关注，然而由于LSCM属于p型导电机制，在强还原电压下，会导致LSCM结构破坏进而产生极大的极化电阻和低的电解效率，因而LSCMO并不是理想的电解池阴极材料。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种固体氧化物电解池阴极材料及其制备方法，LaxSr0.9-xTi0.6Ni0.4O3-δ在还原气氛下可原位析出纳米金属Ni催化剂和保持钙钛矿基体，析出的镍金属以纳米颗粒的形式生长在钙钛矿基体的表面，一方面极大的提高了材料的电导率，使电子传输更加便利，另一方面镍纳米金属颗粒大大提高了催化活性，降低了电极的极化电阻。LaxSr0.9-xTi0.6Ni0.4O3-δ具有良好的氧化还原稳定性，即在还原气氛中仍以钙钛矿的形式存在，是一种非常好的基体，为镍纳米颗粒生长提供场所。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种固体氧化物电解池阴极材料，其特征在于，其组成分子式为LaxSr0.9-xTi0.6Ni0.4O3-δ，其中x取值为0.2-0.8，δ表示氧空位的数量。
按照本发明的另一个方面，还提供了所述的固体氧化物电解池阴极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、根据分子式LaxSr0.9-xTi0.6Ni0.4O3-δ，按照化学计量比称取硝酸镧、硝酸锶、硝酸镍和钛酸四丁酯溶于去离子水中，搅拌均匀，形成混合溶液Ⅰ,混合溶液Ⅰ中硝酸镧、硝酸锶、硝酸镍和钛酸四丁酯的摩尔浓度相同，且为0.25mol/L-0.5mol/L；
b、按照乙二胺四乙酸与混合溶液Ⅰ中的金属离子摩尔比的比例为1：1-1.1：1，称取乙二胺四乙酸，将乙二胺四乙酸溶于氨水中，搅拌均匀形成混合溶液Ⅱ；
c、将混合溶液Ⅱ倒入混合溶液Ⅰ中，搅拌均匀后形成混合溶液Ⅲ，按照柠檬酸与混合溶液Ⅰ中的金属离子摩尔比的比例为1.5：1-1.8：1称取柠檬酸，并将柠檬酸加入混合溶液Ⅲ中搅拌形成混合溶液Ⅳ，向混合溶液Ⅳ中加入氨水以将PH值调整为PH＝8-9，从而制得溶胶；
d、将溶胶置于油浴锅中，在80℃-90℃搅拌形成凝胶；
e、将凝胶在150℃-200℃下干燥10小时-20小时，获得蓬松的前驱体粉末，然后将前驱体粉末研钵中研磨；
f、将所述研磨产物在800℃-1000℃下煅烧3-5小时，即得固体氧化物电解池阴极材料LaxSr0.9-xTi0.6Ni0.4O3-δ。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种固体氧化物电解池的制备方法，其特征在于：将所述固体氧化物电解池阴极材料的粉体与氧化钆掺杂的氧化铈以1：1-1.5：1的比例混合，然后向混合物中添加乙基纤维素-松油醇粘结剂制成浆料，将浆料均匀地涂在致密的钇稳定氧化锆电解质的表面，经1000℃-1100℃温度下煅烧2-4个小时，制成多孔的固体氧化物电解池阴极，固体氧化物电解池的氧电极则采用镧锶锰-钇稳定氧化锆复合电极材料
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明所制备的LaxSr0.9-xTi0.6Ni0.4O3-δ颗粒小，活性高，表面原位析出的纳米Ni金属颗粒不会被氧化，在电解过程中不需要还原气氛保护，且在高电解电压下结构仍然保持稳定，具有很好的电催化性能，适合作为高温固体氧化物电解池的阴极材料。
2)、以本发明的阴极材料LaxSr0.9-xTi0.6Ni0.4O3-δ作为电极，YSZ作为电解质，LSM-YSZ复合电极材料装配的电池电解CO2性能优异。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1：La0.8Sr0.1Ti0.6Ni0.4O3-δ的合成、电化学性能的测试。
a、根据化学式La0.8Sr0.1Ti0.6Ni0.4O3-δ，按照化学计量比称取硝酸镧，硝酸锶，硝酸镍和钛酸四丁酯溶于100ml的去离子水中，搅拌均匀，溶液中硝酸镧，硝酸锶，硝酸镍和钛酸四丁酯的浓度为0.25mol/L；
b、按照乙二胺四乙酸与金属离子摩尔比的比例为1：1称取乙二胺四乙酸溶于50ml的氨水中，搅拌均匀；
c、将溶有乙二胺四乙酸的氨水溶液倒入溶有金属离子的烧杯中，搅拌均匀后，按照柠檬酸与金属离子摩尔比的比例为1.5：1加入柠檬酸并继续搅拌，并用氨水调PH值为8，制得溶胶；
d、将溶胶置于油浴锅中，80℃搅拌，使其变为凝胶；
e、将凝胶在150℃干燥20小时，可以得到蓬松的前驱体粉末，将前驱体粉末研钵中研磨；
f、将所述研磨产物进行800℃空气中煅烧3小时，即得高温固体氧化物电解池阴极材料La0.8Sr0.1Ti0.6Ni0.4O3-δ；
本实施例制备的镧锶钛镍La0.8Sr0.1Ti0.6Ni0.4O3-δ在还原气氛下800℃处理6小时可原位析出Ni纳米金属催化剂和镧锶钛镍钙钛矿基体。
另外，本实施例还提供了一种固体氧化物电解池的制备方法，其特征在于：将所述固体氧化物电解池阴极材料的粉体与氧化钆掺杂的氧化铈以1：1的比例混合，然后向混合物中添加乙基纤维素-松油醇粘结剂制成浆料，将浆料均匀地涂在致密的钇稳定氧化锆电解质的表面，经1000℃温度下煅烧4个小时，制成多孔的固体氧化物电解池阴极，固体氧化物电解池的氧电极则采用镧锶锰-钇稳定氧化锆复合电极材料。
实施例2：La0.2Sr0.7Ti0.6Ni0.4O3-δ的合成、电化学性能的测试。
a、根据化学式La0.2Sr0.7Ti0.6Ni0.4O3-δ，按照化学计量比称取硝酸镧，硝酸锶，硝酸镍和钛酸四丁酯溶于150ml的去离子水中，搅拌均匀，溶液中硝酸镧，硝酸锶，硝酸镍和钛酸四丁酯的浓度为0.3mol/L；
b、按照乙二胺四乙酸与金属离子摩尔比的比例为1.05：1称取乙二胺四乙酸溶于60ml的氨水中，搅拌均匀；
c、将溶有乙二胺四乙酸的氨水溶液倒入溶有金属离子的烧杯中，搅拌均匀后，按照柠檬酸与金属离子比例1.7：1加入柠檬酸并继续搅拌，并用氨水调PH值9，制得溶胶；
d、将溶胶置于油浴锅中，90℃搅拌，使其变为凝胶；
e、将凝胶在180℃干燥16小时，可以得到蓬松的前驱体粉末，将前驱体粉末研钵中研磨；
f、将所述研磨产物进行900℃空气中煅烧4小时，即得高温固体氧化物电解池阴极材料La0.2Sr0.7Ti0.6Ni0.4O3-δ；
本实施例制备的镧锶钛镍La0.2Sr0.7Ti0.6Ni0.4O3-δ在还原气氛下850℃处理10小时可原位析出Ni纳米金属催化剂和镧锶钛镍钙钛矿基体。
另外，本实施例还提供了一种固体氧化物电解池的制备方法，其特征在于：将权利要求1所述固体氧化物电解池阴极材料的粉体与氧化钆掺杂的氧化铈以1.2：1的比例混合，然后向混合物中添加乙基纤维素-松油醇粘结剂制成浆料，将浆料均匀地涂在致密的钇稳定氧化锆电解质的表面，经1100℃温度下煅烧2.5个小时，制成多孔的La0.2Sr0.7Ti0.6Ni0.4O3-δ固体氧化物电解池阴极，固体氧化物电解池的氧电极则采用镧锶锰-钇稳定氧化锆复合电极材料。
实施例3：La0.4Sr0.5Ti0.6Ni0.4O3-δ的合成、电化学性能的测试。
a、根据化学式La0.4Sr0.5Ti0.6Ni0.4O3-δ，按照化学计量比称取硝酸镧，硝酸锶，硝酸镍和钛酸四丁酯溶于200ml的去离子水中，搅拌均匀，溶液中硝酸镧，硝酸锶，硝酸镍和钛酸四丁酯的浓度为0.5mol/L；
b、按照乙二胺四乙酸与金属离子摩尔比的比例为1.1：1称取乙二胺四乙酸溶于65ml的氨水中，搅拌均匀；
c、将溶有乙二胺四乙酸的氨水溶液倒入溶有金属离子的烧杯中，搅拌均匀后，按照柠檬酸与金属离子摩尔比的比例为1.8：1加入柠檬酸并继续搅拌，并用氨水调PH值8.5，制得溶胶；
d、将溶胶置于油浴锅中，85℃搅拌，使其变为凝胶；
e、将凝胶在200℃干燥10小时，可以得到蓬松的前驱体粉末，将前驱体粉末研钵中研磨；
f、将所述研磨产物进行1000℃空气中煅烧5小时，即得高温固体氧化物电解池阴极材料La0.4Sr0.5Ti0.6Ni0.4O3-δ；
本实施例制备的镧锶钛镍La0.4Sr0.5Ti0.6Ni0.4O3-δ在还原气氛下900℃处理5小时可原位析出Ni纳米金属催化剂和镧锶钛镍钙钛矿基体。
另外，本实施例还提供了一种固体氧化物电解池的制备方法，其特征在于：将所述固体氧化物电解池阴极材料的粉体与氧化钆掺杂的氧化铈以1.3：1的比例混合，然后向混合物中添加乙基纤维素-松油醇粘结剂制成浆料，将浆料均匀地涂在致密的钇稳定氧化锆电解质的表面，经温度1060℃下煅烧2个小时，制成多孔的固体氧化物电解池阴极，固体氧化物电解池的氧电极则采用镧锶锰-钇稳定氧化锆复合电极材料。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.固体氧化物电解池阴极材料的制备方法，其组成分子式为LaxSr0.9-xTi0.6Ni0.4O3-δ，其中x取值为0.2-0.8，δ表示氧空位的数量，其特征在于，包括以下步骤：
a、根据分子式LaxSr0.9-xTi0.6Ni0.4O3-δ，按照化学计量比称取硝酸镧、硝酸锶、硝酸镍和钛酸四丁酯溶于去离子水中，搅拌均匀，形成混合溶液Ⅰ,混合溶液Ⅰ中硝酸镧、硝酸锶、硝酸镍和钛酸四丁酯的摩尔浓度与上述根据分子式LaxSr0.9-xTi0.6Ni0.4O3-δ、按照化学计量比称取的相同，且为0.25mol/L-0.5mol/L；
b、按照乙二胺四乙酸与混合溶液Ⅰ中的金属离子摩尔比的比例为1：1-1.1：1，称取乙二胺四乙酸，将乙二胺四乙酸溶于氨水中，搅拌均匀形成混合溶液Ⅱ；
c、将混合溶液Ⅱ倒入混合溶液Ⅰ中，搅拌均匀后形成混合溶液Ⅲ，按照柠檬酸与混合溶液Ⅰ中的金属离子摩尔比的比例为1.5：1-1.8：1称取柠檬酸，并将柠檬酸加入混合溶液Ⅲ中搅拌形成混合溶液Ⅳ，向混合溶液Ⅳ中加入氨水以将PH值调整为PH＝8-9，从而制得溶胶；
d、将溶胶置于油浴锅中，在80℃-90℃搅拌形成凝胶；
e、将凝胶在150℃-200℃下干燥10小时-20小时，获得蓬松的前驱体粉末，然后将前驱体粉末研钵中研磨；
f、将所述研磨产物在800℃-1000℃下煅烧3-5小时，即得固体氧化物电解池阴极材料LaxSr0.9-xTi0.6Ni0.4O3-δ。
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