CN109546164A - 一种经修饰的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种经修饰的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法，属于燃料电池催化材料制备技术领域。其是将Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、络合剂与去离子水混合，经pH调整后不断搅拌使其充分溶解，然后将其进行加热，待溶液变成胶状时加入SmxCoyFe1‑yO3‑δ阴极粉体（其中，x为0.9~1.1，y为0~1），继续加热搅拌得到凝胶，再将凝胶经干燥、煅烧，得到纳米结构的复合阴极材料。本发明工艺简单、稳定，可以以低制备成本获得纳米尺寸的复合阴极颗粒，所得复合阴极材料不仅兼具电子导电性与离子导电性，且其纳米结构显著提高了阴极的表面反应区域，从而表现出突出的电化学催化活性。

Description

一种经修饰的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于燃料电池催化材料制备技术领域，具体涉及一种经修饰的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效、环保的电化学发电装置，可将氢气、合成气、甲烷等燃料的化学能直接转化为电能（热电联供效率高达70-75%），避免了直接燃烧带来的NOx、SO2等污染物的排放。
阴极催化剂材料是SOFC的关键材料之一，对于SOFC的商业化具有非常重要的意义。阴极催化剂的电化学性能与其电催化活性、导电特性和微结构密切相关。阴极催化剂材料如果同时拥有电子和离子导电性，就可以使整个电极颗粒表面变成有效反应区，从而提升电池性能。对于只有电子导电属性的阴极催化剂材料，通过添加离子导电属性的电解质材料形成复合阴极，从而使阴极的反应区从电解质与阴极之间的界面处扩展到整个阴极区间。
SmxCoyFe1-yO3-δ（SCF）是一种被广泛研究的SOFC阴极催化剂材料，具有很高的电子电导性，但是缺乏离子电导性。氧化铒稳定的氧化铋（Bi0.8Er0.2O1.5，ESB）是一种潜在的SOFC电解质材料，具有很高的离子导电性和表面交换属性。将ESB加入SCF中形成复合阴极催化剂无疑将增加阴极的三相反应区域，提升其电化学催化活性。另外，如果可以使用某种合适的方法制备纳米结构的ESB-SCF复合阴极，将会大幅增加其三相反应区长度，提高电池输出性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种经修饰的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法。所得复合阴极材料不仅兼具电子导电性与离子导电性，同时其纳米结构显著提高了阴极的表面反应区域，进而极大增加了其电催化性能。并且，该制备方法工艺简单。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种经修饰的固体氧化物燃料电池阴极材料，其由修饰物内核SmxCoyFe1-yO3-δ（其中，x为0.9~1.1，y为0~1），与修饰物外层纳米尺度的氧化铒稳定的氧化铋（Bi0.8Er0.2O1.5，ESB）构成；其制备方法包含以下步骤：
（1）将Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、络合剂与去离子水混合，加入氨水调节pH至2~10，并不断搅拌使各成分充分溶解；
（2）将所得溶液加热至50~500℃以蒸发掉部分水分，待溶液变成胶状时加入阴极粉体SmxCoyFe1-yO3-δ，继续加热搅拌直至得到凝胶；
（3）将所得凝胶在50~500℃下干燥0.1~50小时，随后在400~800℃下煅烧0.1~20小时，即得到纳米结构的复合阴极材料。
步骤（1）中所加入Er(NO3)3·5H2O与Bi(NO3)3·5H2O的摩尔比为(0.1~0.6):(0.4~0.9)。
步骤（1）中所用络合剂是由柠檬酸与EDTA按摩尔比(0.1~2.5):(0.1~2)混合而成，其加入量按EDTA与溶液中金属阳离子的摩尔比为(0.1~10):1进行换算。
步骤（2）中阴极粉体的加入量为最终所得复合阴极材料重量的30%~90%。
本发明具有以下优势:
1、本发明通过将两种分别具有电子电导性和离子电导性的材料复合，使所得阴极同时获得了电子电导性与离子电导性。
2、本发明通过溶胶凝胶法将ESB修饰在SCF颗粒表面，获得纳米尺寸的外壳颗粒，增加了阴极材料发生电化学反应的区域，进一步提高了其电化学催化性能。
3、本发明提供的复合阴极材料制备方法对设备要求低，工艺简单、稳定。
附图说明
图1是实施例1得到的20wt%ESB修饰的Sm0.95CoO3-δ阴极材料的SEM表面形貌图。
图2是实施例1得到的20wt%ESB修饰的Sm0.95CoO3-δ阴极材料的STEM-EDS元素面扫描图。
图3是以实施例1得到的20wt%ESB修饰的Sm0.95CoO3-δ阴极材料组装的全电池在不同温度下的放电曲线。
图4是以实施例1得到的20wt%ESB修饰的Sm0.95CoO3-δ阴极材料组装的全电池在700℃、500mA·cm-2放电条件下测试40h的稳定性曲线。
图5是本发明制备的不同比例ESB修饰的Sm0.95CoO3-δ阴极材料的XRD图。
图6是直接混合的20wt% ESB-Sm0.95CoO3-δ阴极粉体的SEM表面形貌图。
图7是直接混合的20wt%ESB-Sm0.95CoO3-δ阴极粉体组装的全电池在不同温度下的放电曲线。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
（1）先按Sm2O3与硝酸的摩尔比为1:6，将Sm2O3溶解在浓度为14.4mol·L-1的硝酸溶液中，然后与Co(NO3)2·6H2O、柠檬酸、EDTA、28wt%氨水与去离子水混合，不断搅拌使其充分溶解；其中，Sm2O3、Co(NO3)2·6H2O、柠檬酸与EDTA的摩尔比为0.95:2:6:4，28wt%氨水的加入体积与EDTA的摩尔数之比为6ml:0.01mol；
（2）将步骤（1）所得溶液在375℃下不断搅拌，蒸发全部水分，然后在950℃煅烧3小时，制得Sm0.95CoO3-δ阴极粉体；
（3）将Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、柠檬酸、EDTA、28wt%氨水与去离子水混合，不断搅拌使其充分溶解；其中，Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、柠檬酸与EDTA摩尔比为0.4:1.6:3:2，28wt%氨水的加入是为调节溶液pH至5.5；
（4）将步骤（3）所得溶液在250℃下不断搅拌，蒸发部分水分，得到胶体；
（5）将制备好的Sm0.95CoO3-δ阴极粉体加入至步骤（4）所得胶体中，继续加热至水分彻底蒸发，得混合物凝胶；
（6）混合物凝胶在180℃下干燥12小时，得到复合阴极前驱体；
（7）将步骤（6）所得的复合阴极前驱体在600℃煅烧3小时，即得纳米结构的复合阴极材料。其中，Sm0.95CoO3-δ阴极粉体的加入量为复合阴极材料总质量的80%。
图1是本实施例得到的20wt%ESB修饰的Sm0.95CoO3-δ阴极材料的SEM表面形貌图。如图所示，外层ESB颗粒已达到纳米尺寸。
图2是本实施例得到的20wt%ESB修饰的Sm0.95CoO3-δ阴极材料的STEM-EDS元素面扫描图。如图所示，ESB均匀的分布在Sm0.95CoO3-δ颗粒表面。
图3是以本实施例得到的20wt%ESB修饰的Sm0.95CoO3-δ阴极材料组装的全电池在不同温度下的放电曲线。如图所示，该电池在750、700、650、600℃的最大功率密度分别达到1.60、1.15、0.62、0.28W·cm-2。
图4是以本实施例得到的20wt%ESB修饰的Sm0.95CoO3-δ阴极材料组装的全电池在700℃、500mA·cm-2放电条件下测试40h的稳定性曲线。如图所示，测试期间电池性能无衰减，且输出电压达到0.9V。
实施例2
（1）先按Sm2O3与硝酸的摩尔比为1:6，将Sm2O3溶解在浓度为14.4mol·L-1的硝酸溶液中，然后与Co(NO3)2·6H2O、柠檬酸、EDTA、28wt%氨水与去离子水混合，不断搅拌使其充分溶解；其中，Sm2O3、Co(NO3)2·6H2O、柠檬酸与EDTA的摩尔比为0.95:2:6:4，28wt%氨水的加入体积与EDTA的摩尔数之比为6ml:0.01mol；
（2）将步骤（1）所得溶液在375℃下不断搅拌，蒸发全部水分，然后在950℃煅烧3小时，制得Sm0.95CoO3-δ阴极粉体；
（3）将Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、柠檬酸、EDTA、28wt%氨水与去离子水混合，不断搅拌使其充分溶解；其中，Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、柠檬酸与EDTA摩尔比为0.4:1.6:3:2，28wt%氨水的加入是为调节溶液pH至5.5；
（4）将步骤（3）所得溶液在250℃下不断搅拌，蒸发部分水分，得到胶体；
（5）将制备好的Sm0.95CoO3-δ阴极粉体加入至步骤（4）所得胶体中，继续加热至水分彻底蒸发，得混合物凝胶；
（6）混合物凝胶在180℃下干燥12小时，得到复合阴极前驱体；
（7）将步骤（6）所得的复合阴极前驱体在600℃煅烧3小时，即得纳米结构的复合阴极材料。其中，Sm0.95CoO3-δ阴极粉体的加入量为复合阴极材料总质量的60%。
实施例3
（1）先按Sm2O3与硝酸的摩尔比为1:6，将Sm2O3溶解在浓度为14.4mol·L-1的硝酸溶液中，然后与Co(NO3)2·6H2O、柠檬酸、EDTA、28wt%氨水与去离子水混合，不断搅拌使其充分溶解；其中，Sm2O3、Co(NO3)2·6H2O、柠檬酸与EDTA的摩尔比为0.95:2:6:4，28wt%氨水的加入体积与EDTA的摩尔数之比为6ml:0.01mol；
（2）将步骤（1）所得溶液在375℃下不断搅拌，蒸发全部水分，然后在950℃煅烧3小时，制得Sm0.95CoO3-δ阴极粉体；
（3）将Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、柠檬酸、EDTA、28wt%氨水与去离子水混合，不断搅拌使其充分溶解；其中，Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、柠檬酸与EDTA摩尔比为0.4:1.6:3:2，28wt%氨水的加入是为调节溶液pH至5.5；
（4）将步骤（3）所得溶液在250℃下不断搅拌，蒸发部分水分，得到胶体；
（5）将制备好的Sm0.95CoO3-δ阴极粉体加入至步骤（4）所得胶体中，继续加热至水分彻底蒸发，得混合物凝胶；
（6）混合物凝胶在180℃下干燥12小时，得到复合阴极前驱体；
（7）将步骤（6）所得的复合阴极前驱体在600℃煅烧3小时，即得纳米结构的复合阴极材料。其中，Sm0.95CoO3-δ阴极粉体的加入量为复合阴极材料总质量的70%。
实施例4
（1）先按Sm2O3与硝酸的摩尔比为1:6，将Sm2O3溶解在浓度为14.4mol·L-1的硝酸溶液中，然后与Co(NO3)2·6H2O、柠檬酸、EDTA、28wt%氨水与去离子水混合，不断搅拌使其充分溶解；其中，Sm2O3、Co(NO3)2·6H2O、柠檬酸与EDTA的摩尔比为0.95:2:6:4，28wt%氨水的加入体积与EDTA的摩尔数之比为6ml:0.01mol；
（2）将步骤（1）所得溶液在375℃下不断搅拌，蒸发全部水分，然后在950℃煅烧3小时，制得Sm0.95CoO3-δ阴极粉体；
（3）将Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、柠檬酸、EDTA、28wt%氨水与去离子水混合，不断搅拌使其充分溶解；其中，Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、柠檬酸与EDTA摩尔比为0.4:1.6:3:2，28wt%氨水的加入是为调节溶液pH至5.5；
（4）将步骤（3）所得溶液在250℃下不断搅拌，蒸发部分水分，得到胶体；
（5）将制备好的Sm0.95CoO3-δ阴极粉体加入至步骤（4）所得胶体中，继续加热至水分彻底蒸发，得混合物凝胶；
（6）混合物凝胶在180℃下干燥12小时，得到复合阴极前驱体；
（7）将步骤（6）所得的复合阴极前驱体在600℃煅烧3小时，即得纳米结构的复合阴极材料。其中，Sm0.95CoO3-δ阴极粉体的加入量为复合阴极材料总质量的90%。
图5是实施例1~4制备的不同比例ESB修饰的Sm0.95CoO3-δ阴极材料的XRD图。如图所示，各比例ESB修饰的Sm0.95CoO3-δ阴极材料都已成相，并且图中无杂质峰出现，说明这两种材料复合过程稳定，未发生化学反应。
图6是直接混合的20wt% ESB-Sm0.95CoO3-δ阴极粉体的SEM表面形貌图。与图1相比，其整体颗粒度要大许多，说明本发明方法能够改善阴极粉体结构。
图7是直接混合的20wt% ESB-Sm0.95CoO3-δ阴极粉体组装的全电池在不同温度下的放电曲线。如图所示，该电池在750、700、650、600℃的最大功率密度分别达到1.17、0.88、0.51、0.25W·cm-2，与图3所示最大功率密度相比要低许多。说明本发明的方法能够大幅度增加阴极性能。
实施例5
（1）先按Sm2O3与硝酸的摩尔比为1:6，将Sm2O3溶解在浓度为14.4mol·L-1的硝酸溶液中，然后与Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、柠檬酸、EDTA、28wt%氨水与去离子水混合，不断搅拌使其充分溶解；其中，Sm2O3、Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、柠檬酸与EDTA摩尔比为0.95:1.6:0.4:6:4，28wt%氨水的加入体积与EDTA的摩尔数之比为6ml:0.01mol；
（2）将步骤（1）所得溶液在375℃下不断搅拌，蒸发全部水分，然后在950℃煅烧3小时，制得Sm0.95Co0.8Fe0.2O3-δ阴极粉体；
（3）将Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、柠檬酸、EDTA、28wt%氨水与去离子水混合，不断搅拌使其充分溶解；其中，Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、柠檬酸与EDTA摩尔比为0.4:1.6:3:2，28wt%氨水的加入是为调节溶液pH至5.5；
（4）将步骤（3）所得溶液在250℃下不断搅拌，蒸发部分水分，得到胶体；
（5）将制备好的Sm0.95Co0.8Fe0.2O3-δ阴极粉体加入至步骤（4）所得胶体中，继续加热至水分彻底蒸发，得混合物凝胶；
（6）混合物凝胶在180℃下干燥12小时，得到复合阴极前驱体；
（7）将步骤（6）所得的复合阴极前驱体在600℃煅烧3小时，即得纳米结构的复合阴极材料。其中，Sm0.95Co0.8Fe0.2O3-δ阴极粉体的加入量为复合阴极材料总质量的80%。
实施例6
（1）先按Sm2O3与硝酸的摩尔比为1:6，将Sm2O3溶解在浓度为14.4mol·L-1的硝酸溶液中，然后与Fe(NO3)3·9H2O、柠檬酸、EDTA、28 wt%氨水与去离子水混合，不断搅拌使其充分溶解；其中，Sm2O3、Fe(NO3)3·9H2O、柠檬酸与EDTA摩尔比为0.95:2:6:4，28 wt%氨水的加入体积与EDTA的摩尔数之比为6ml:0.01mol；
（2）将步骤（1）所得溶液在375℃下不断搅拌，蒸发全部水分，然后在950℃煅烧3小时，制得Sm0.95FeO3-δ阴极粉体；
（3）将Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、柠檬酸、EDTA、28wt%氨水与去离子水混合，不断搅拌使其充分溶解；其中，Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、柠檬酸与EDTA摩尔比为0.4:1.6:3:2，28wt%氨水的加入是为调节溶液pH至5.5；
（4）将步骤（3）所得溶液在250℃下不断搅拌，蒸发部分水分，得到胶体；
（5）将制备好的Sm0.95FeO3-δ阴极粉体加入至步骤（4）所得胶体中，继续加热至水分彻底蒸发，得混合物凝胶；
（6）混合物凝胶在180℃下干燥12小时，得到复合阴极前驱体；
（7）将步骤（6）所得的复合阴极前驱体在600℃煅烧3小时，即得纳米结构的复合阴极材料。其中，Sm0.95FeO3-δ阴极粉体的加入量为复合阴极材料总质量的80%。
通过在含钴阴极中掺杂贵金属能提高某些温区的催化活性，但也大幅增加了成本。例如，“High performance nanostructured bismuth oxide–cobaltite as a durableoxygen electrode for reversible solid oxide cells”（J. Mater. Chem. A, 2018,6, 6510-6520）中，以40wt% ESB修饰的Sm0.95Co0.95Pd0.05O3-δ(SCPd)复合阴极的全电池在750、700、650、600℃的最大功率密度分别达到1.81、1.12、0.58、0.27W·cm-2。但与本发明相比（图3），其最大功率密度在温度为700℃及以下更低一些。可能的原因是ESB与SCPd化学相容性并不好，合成复合阴极材料后有杂相生成，而本发明的ESB与Sm0.95CoO3-δ化学相容性良好，合成的复合阴极材料并无杂相生成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种经修饰的固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：
（1）将Er(NO3)3·5H2O、Bi(NO3)3·5H2O、络合剂与去离子水混合，加入氨水调节pH，并不断搅拌使各成分充分溶解；
（2）将所得溶液加热至一定温度，待溶液变成胶状时加入阴极粉体，继续加热搅拌直至得到凝胶；
（3）将所得凝胶在一定温度下干燥，随后在一定温度下煅烧，即得到纳米结构的复合阴极材料；
所述阴极粉体为SmxCoyFe1-yO3-δ，其中，x为0.9~1.1，y为0~1。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所加入Er(NO3)3·5H2O与Bi(NO3)3·5H2O的摩尔比为(0.1~0.6):(0.4~0.9)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所用络合剂是由柠檬酸与EDTA按摩尔比(0.1~2.5):(0.1~2)混合而成，其加入量按EDTA与溶液中金属阳离子的摩尔比为(0.1~10):1进行换算。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中加入氨水后，溶液的pH值为2~10。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中加热的温度为50~500℃。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）中阴极粉体的加入量为最终所得复合阴极材料重量的30%~90%。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中凝胶干燥的温度为50~500℃，干燥时间为0.1~50小时。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中煅烧的温度为400~800℃，煅烧时间为0.1~20小时。
9.一种如权利要求1所述方法制得的固体氧化物燃料电池阴极材料。
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