CN106602115A - 一种低温型固体电解质材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃料电池电解质材料领域，涉及到一种低温型固体电解质材料的制备方法。本发明首先采用化学沉淀法，即在溶液中Bi(NO)3与NaOH发生化学反应，生成Bi(OH)3沉淀，经过升温分解‑静置‑抽滤‑干燥‑煅烧等途径，得到可用于制备电解质材料的Bi2O3包覆YSZ复合粉体，以Bi2O3/YSZ包覆粉体为原料，经成型、烧结制成一种低温型固体电解质材料。本发明得到的混合粉体粒径小，分布均匀，无团聚，形状规则，避免了不必要杂质的引入，且工艺简单，操作易于控制。同时，Bi2O3的添加，可降低制备过程的烧结温度及电解质的工作温度，从而提高固体氧化物燃料电池的性能。

Description

一种低温型固体电解质材料的制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池电解质材料领域，涉及到一种低温型固体电解质材料的制备方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是全固体能量转换装置，具有高的能量转化效率。SOFC单电池主要有阳极、电解质和阴极组成，电解质材料主要是氧化物陶瓷(如ZrO2)。燃料选择范围广泛(如：H2、CO、甲醇、甲烷、乙醇等各种碳氢类燃料均可)，不需另设燃料提纯装置。另外，不用贵金属作为催化剂，因此设备及材料成本较低。
氧化钇稳定氧化锆(YSZ)是目前用于固体氧化物燃料电池和氧传感器的最常见的电解质材料，具有较高的氧离子导电率、优秀的耐氧化和耐腐蚀性能及不与电极材料反应等优点。但是，YSZ材料用作氧传感器和固体氧化物燃料电池电解质，其工作温度较高(通常＞800℃)，需要专门的加热设备，阻碍了其民用发展的进程。若能将氧传感器和电池的工作温度下降到中温区(500-800℃)，不仅能提高电极稳定性，降低电池对材料的性能要求及成本，减小热应力，提高电池的稳定性，延长电池寿命，更重要的是有利于SOFC的规模化和民用化。
目前国内外关于固体氧化物燃料电池的报道中，大部分运用的是氧化铈、氧化钪、氧化铝等掺杂。例如，申请号为201310064530.8的中国专利“Al2O3-YSZ电解质膜的固体氧化物燃料电池及其制备方法”，介绍的是Al2O3-YSZ电解质膜的固体氧化物燃料电池的制备过程，由内至外依次包括多孔阳极支撑体、阳极-电解质过渡层、电解质膜和多孔阴极膜；所述阳极-电解质过渡层采用纯YSZ；所述电解质膜采用的材料是掺Al2O3的YSZ。电解质膜的制备过程是分别称取YSZ粉和Al2O3粉，其中Al2O3的重量为YSZ重量的1％～1.5％，加入乙醇和分散剂后进行球磨，得到分散均匀的电解质浆料，再将多孔阳极支撑体浸渍在电解质浆料中，在阳极-电解质过渡层表面形成电解质膜生坯，然后1300～1350℃下空气烧结3～5h，得到电解质膜。申请号为201510196889.X的中国专利公开了“一种高离子电导固体电解质材料的制备方法”，将三种反应原材料Ag2S、P2S5、AgI按照摩尔百分比9:3:14的比例混合均匀，加入球磨罐中球磨制得。申请号为201310703799.6的中国专利公开了一种“用于固体氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法”，由氧化钪、氧化铈和氧化锆组成，氧化钪、氧化铈和氧化锆按摩尔比为9～11：1:88～90混合。这些方法虽然可以得到电解质材料，但是在混合过程中，颗粒容易团聚，分散不均匀，也有可能因为球磨而引入不必要的杂质，给电解质的性能造成不良影响。也不能形成实际意义上的掺杂，其界面多为机械钳合，结合强度低，尤其不能使电解质工作温度和烧结温度有明显的降低。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种由Bi2O3与氧化钇稳定氧化锆(YSZ)复合形成的低温型固体电解质材料的制备方法，实现工作温度低和制备温度低的特点，且制备过程无杂质引入，工艺简单，操作易于控制。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种低温型固体电解质材料的制备方法，利用化学沉淀法，其特征是：使硝酸铋与氢氧化钠反应，随后升高水浴温度，使氢氧化铋分解为氧化铋，再对混合液体进行抽滤、干燥、煅烧，制备出用于电解质材料的Bi2O3包覆YSZ复合粉体；以Bi2O3/YSZ包覆粉体为原料经成形、烧结后制成可用于固体氧化物燃料电池和氧传感器的固体电解质材料；具体包括以下步骤：
(1)、氧化铋所占复合粉体的摩尔分数比为1～10mol％，通过计算称量，将氧化钇稳定氧化锆(YSZ)粉体与表面活性剂一起放入适量蒸馏水中制成YSZ悬浊液，超声分散使表面活性剂与YSZ微粒形成良好的表面结合；
(2)、将步骤(1)所制得的悬浊液进行水浴加热，搅拌，同时加入过量NaOH固体，搅拌；
(3)、将硝酸铋溶解于浓硝酸中后，对此溶液用蒸馏水进行稀释，并放入分液漏斗中；
(4)、将步骤(3)所得的硝酸铋溶液缓慢加入由步骤(2)制得的悬浊液中，水浴加热，恒温下搅拌2～4h，静置；
(5)、将步骤(4)所得悬浊液进行反复清洗直到清洗液pH呈中性后进行抽滤，将抽滤后得到的粉体放入恒温干燥箱中干燥，然后在400～500℃温度中进行煅烧，获得用于电解质材料的Bi2O3包覆YSZ复合粉体；
(6)、以步骤(5)所得的Bi2O3/YSZ包覆复合粉体为原料，采用干压成型方法成型后，在烧结炉中进行无压烧结，制得Bi2O3/YSZ复合材料。
上述一种低温型固体电解质材料的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中悬浊液的超声分散时间为5～10min。
上述一种低温型固体电解质材料的制备方法，其特征是，所述步骤(2)中水浴温度为20～30℃，并同时以10～30r/min的低速对混合悬浊液进行搅拌，加入过量NaOH固体后，搅拌10～20min。
上述一种低温型固体电解质材料的制备方法，其特征是，所述步骤(4)中硝酸铋溶液的滴定速率是5～10ml/min，水浴加热温度为60～100℃。
上述一种低温型固体电解质材料的制备方法，其特征是，所述步骤(5)中恒温干燥箱干燥温度是70～110℃，干燥时间为20～24h。
本技术方案得到的复合粉体粒径小，分布均匀，无团聚，形状规则，避免了不必要杂质的引入，且工艺简单，操作易于控制。同时，Bi2O3的添加，可降低制备过程的烧结温度及电解质的工作温度，从而提高固体氧化物燃料电池的性能。
本发明可应用于制备固体氧化物燃料电池和氧传感器的固体电解质材料，前景广阔。
具体实施方式
为进一步了解本发明的发明内容与特点，下面给出本发明的八个最佳实施例，但本发明所保护范围不限于此。
实施例一
一种低温型固体电解质材料的制备方法，以硝酸铋，5YSZ和NaOH固体为原料，用化学沉淀法合成Bi2O3/YSZ包覆粉体，并以该粉体为原料经成型、烧结制得Bi2O3/YSZ固体电解质材料。具体包括以下步骤：
(1)将67.5g 5YSZ粉体与3g表面活性剂一起放入适量蒸馏水中制成YSZ悬浊液，超声分散10min使表面活性剂与YSZ微粒形成良好的表面结合；
(2)将步骤(1)所得悬浊液以15r/min的转速对混合悬浊液进行搅拌，同时加入过量NaOH固体，搅拌20min；
(3)用5.15g硝酸铋溶解于20ml浓硝酸中，后对此溶液用蒸馏水进行稀释，并放入分液漏斗中；
(4)用分液漏斗将步骤(3)中的硝酸铋溶液以5ml/min的速度滴入(2)中的悬浊液，将所得液体水浴加热，温度提升至95℃，恒温下搅拌2h，静置；
(5)将步骤(4)所得悬浊液进行反复清洗直到清洗液pH呈中性后进行抽滤。将抽滤后得到的粉体放入90℃恒温干燥箱中干燥24h，干燥后得到的粉体在450℃下进行煅烧，最终得到可用于制备电解质材料的Bi2O3包覆YSZ复合粉体；
(6)以步骤(5)所得的Bi2O3/YSZ包覆粉体为原料，加入适量聚乙烯醇作为粘结剂，干压成型后，在烧结炉中进1300℃无压烧结，制得可用作固体电解质或氧气传感器的Bi2O3/YSZ块体材料。
实施例二
制备方法步骤(1)中，5YSZ原料为62.93g，超声分散时间为5min；制备方法步骤(3)中，硝酸铋原料为14.71g，制备方法步骤(4)中水浴加热升温至65℃；其余同实施例一。
实施例三
制备方法步骤(1)中，5YSZ原料为58.77g；制备方法步骤(3)中，硝酸铋原料为23.38g；制备方法步骤(4)中，水浴加热升温至80℃；其余同实施例一。
实施例四
制备方法步骤(5)中，所得悬浊液进行反复清洗直到清洗液pH呈中性后进行抽滤。将抽滤后得到的粉体放入70℃恒温干燥箱中干燥24h，干燥后得到的粉体在450℃下进行煅烧，最终得到可用于制备电解质材料的Bi2O3包覆YSZ复合粉体；其余同实施例一。
实施例五
制备方法步骤(5)中，所得悬浊液进行反复清洗直到清洗液pH呈中性后进行抽滤。将抽滤后得到的粉体放入110℃恒温干燥箱中干燥24h，干燥后得到的粉体在450℃下进行煅烧，最终得到可用于制备电解质材料的Bi2O3包覆YSZ复合粉体；其余同实施例一。
实施例六
制备方法步骤(5)中，所得悬浊液进行反复清洗直到清洗液pH呈中性后进行抽滤。将抽滤后得到的粉体放入90℃恒温干燥箱中干燥24h，干燥后得到的粉体在400℃下进行煅烧，最终得到可用于制备电解质材料的Bi2O3包覆YSZ复合粉体；其余同实施例一。
实施例七
制备方法步骤(5)中，所得悬浊液进行反复清洗直到清洗液pH呈中性后进行抽滤。将抽滤后得到的粉体放入90℃恒温干燥箱中干燥24h，干燥后得到的粉体在500℃下进行煅烧，最终得到可用于制备电解质材料的Bi2O3包覆YSZ复合粉体；其余同实施例一。
实施例八
制备方法步骤(3)中，用5.15g硝酸铋溶解于20ml市售浓硝酸中，后对此溶液用蒸馏水进行稀释，制成硝酸铋稀溶液，升温至95℃；制备方法步骤(4)中，用分液漏斗将步骤(2)中的悬浊液以5ml/min的速度滴入(3)中的硝酸铋稀溶液,并不断搅拌2h，静置24h；其余同实施例一。

Claims (4)

1.一种低温型固体电解质材料的制备方法，利用化学沉淀法，其特征是：使硝酸铋与氢氧化钠反应，随后升高水浴温度，使氢氧化铋分解为氧化铋，再对混合液体进行抽滤、干燥、煅烧，制备出用于电解质材料的Bi2O3包覆YSZ复合粉体；以Bi2O3/YSZ包覆粉体为原料经成形、烧结后制成可用于固体氧化物燃料电池和氧传感器的固体电解质材料；具体包括以下步骤：
(1)氧化铋所占复合粉体的摩尔分数比为1～10mol％，通过计算称量，将氧化钇稳定氧化锆(YSZ)粉体与表面活性剂一起放入适量蒸馏水中制成YSZ悬浊液，超声分散使表面活性剂与YSZ微粒形成良好的表面结合；
(2)将步骤(1)所制得的悬浊液进行水浴加热，搅拌，同时加入过量NaOH固体，搅拌；
(3)将硝酸铋溶解于浓硝酸中后，对此溶液用蒸馏水进行稀释，并放入分液漏斗中；
(4)将步骤(3)所得的硝酸铋溶液缓慢加入由步骤(2)制得的悬浊液中，水浴加热，恒温下搅拌2～4h，静置；
(5)将步骤(4)所得悬浊液进行反复清洗直到清洗液pH呈中性后进行抽滤，将抽滤后得到的粉体放入恒温干燥箱中干燥，然后在400～500℃温度中进行煅烧，获得用于电解质材料的Bi2O3包覆YSZ复合粉体；
(6)以步骤(5)所得的Bi2O3/YSZ包覆复合粉体为原料，采用干压成型方法成型后，在烧结炉中进行无压烧结，制得Bi2O3/YSZ复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种低温型固体电解质材料的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中制得的悬浊液，超声分散5～10min，使表面活性剂与YSZ微粒形成良好的表面结合。
3.根据权利要求1所述的一种低温型固体电解质材料的制备方法，其特征是：所述步骤(2)中水浴温度为20～30℃，并同时以10～30r/min的低速对混合悬浊液进行搅拌，加入过量NaOH固体后，搅拌10～20min。
4.根据权利要求1所述的一种低温型固体电解质材料的制备方法，其特征是：所述步骤(4)中硝酸铋溶液的滴定速率是5～10ml/min，水浴加热温度为60～100℃；步骤(5)中恒温干燥箱温度是70～110℃，干燥时间为20～24h。
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