CN112531177A - 一种Pt电极颗粒及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Pt电极颗粒及其应用，采用如下方法获得：（1）将Pt电极浆料涂覆在电解质的一侧表面上，随后在一定温度下退火一段时间，得到Pt电极；（2）将步骤（1）得到的Pt电极在一定温度和一定电流密度的条件下进行极化处理。本发明通过对制备得到的Pt电极在运行温度下进行阴极极化处理，使覆盖在电解质表面的Pt颗粒粒径出现了明显的减小，颗粒数量增加，这使得Pt颗粒与电解质的接触位点增多，从而达到增加三相界面的长度，能够有效提高电极的电催化活性。本发明对Pt电极颗粒进行细化的方法操作简单，整个反应过程较为温和，能够有效提高电极的电催化活性，适用于工业化生产。

Description

一种Pt电极颗粒及其应用
技术领域
本发明涉及燃料电池催化材料制备技术领域，具体涉及一种Pt电极颗粒及其应用。
背景技术
燃料电池是一种将燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。
固体氧化物燃料电池（SOFC）属于第三代燃料电池，燃料适用范围广，可使用氢气、合成气、甲烷等作为燃料。SOFC单电池包括阴极、阳极和电解质三个部分。在电化学反应过程中阴极发生氧气的还原反应，阳极发生燃料的氧化反应。阴极中发生氧还原反应的区域能接收到外部传来的电子和氧气，还能将生成的氧离子通过电解质传输到阳极，所以电子传导相、气相和离子传导相三相交界处，被称为三相界面。同理，进行燃料氧化反应的阳极区域能接收到传输过来的氧离子和燃料，还能将生成的电子传导到外电路，该区域同样为电子传导相、气相和离子传导相的三相交界处。因此，三相反应界面的长度是影响SOFC电化学性能的一个重要因素。
Pt是一种良好的电催化材料，现有技术在将Pt应用于SOFC时仅通过涂覆和退火处理使Pt覆盖在电解质上，但由于Pt只具有电子导电能力，Pt电极的三相反应界面长度有限，只能局限在电极/电解质界面。因此，如何增加Pt电极三相界面长度、提高电极的电催化活性是本领域技术人员有待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种Pt电极颗粒及其应用，以解决现有技术Pt电极三相反应界面长度有限、电极电催化活性受限的问题。
一种Pt电极颗粒，采用如下方法获得：
（1）将Pt电极浆料涂覆在电解质的一侧表面上，随后在一定温度下退火一段时间，得到Pt电极；
（2）将步骤（1）得到的Pt电极在一定温度和一定电流密度的条件下进行极化处理。
优选地，步骤（1）中所述的电解质材料为8mol% Y2O3掺杂的ZrO2（YSZ）。
优选地，所述步骤（1）中退火温度为800~1400℃。
优选地，所述步骤（1）中退火时间为0.1~10h。
优选地，所述步骤（2）中极化的温度为500~1000℃。
优选地，所述步骤（2）中极化的电流密度为1~2000 mA/cm2，进行极化处理的时间为12h。
一种如本发明所述Pt电极颗粒，所述Pt颗粒的粒径小于100nm。
一种Pt电极颗粒的应用，如本发明所述细化的Pt电极颗粒用于固体氧化物燃料电池的电极材料。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过对制备得到的Pt电极进行加热和通电处理后发现，覆盖在电解质表面的Pt颗粒粒径出现了明显的减小，这使得能有更多的Pt颗粒覆盖在三相反应界面，尽可能的填充Pt电极与电解质界面之间的孔隙，从而达到增加三相界面的长度，能够有效提高电极的电催化活性。
2、本发明Pt颗粒的粒径小于100nm，电极的表面积大，与电解质接触的活性位点多，因此电催化活性明显增加，将其应用于固体氧化物燃料电池催化材料具有极化电阻小、稳定性好的特点。
3、本发明对Pt电极颗粒的制备方法操作简单，整个反应过程较为温和，能够有效提高电极的电催化活性，适用于工业化生产。
附图说明
图1是对比例1中Pt电极经过1100℃退火2h的表面SEM形貌图。
图2是实施例1得到的界面处细化的Pt颗粒SEM图。
图3是实施例1得到的Pt电极在阳极极化过程的内阻曲线图。
图4是实施例2得到的界面处细化的Pt颗粒SEM图。
图5是实施例2得到的Pt电极在阳极极化过程的内阻曲线图。
图6是对比例2中的Pt电极在开路条件下的内阻曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
一、一种Pt电极颗粒，采用如下方法获得：
（1）将Pt电极浆料涂覆在电解质的一侧表面上，随后将涂覆有Pt电极浆料的电解质加热至800~1400℃，优选为1100℃，进行退火处理0.1~10h，优选为2h，得到Pt电极。
其中，所述的电解质材料为8mol% Y2O3掺杂的ZrO2（YSZ）。
（2）将步骤（1）得到的Pt电极加热至500~1000℃进行阳极极化处理，优选为800℃，通入的极化电流电流密度为1~2000 mA/cm2，极化时间为12h，最终得到处理后的Pt电极。通过上述方法获得的Pt电极颗粒的粒径小于100nm。
在将Pt应用到燃料电池时发现，Pt虽然作为一种良好的电催化材料，其电催化局限在Pt电极与电解质接触的界面处，也就是三相界面处，如果要提升电极的电催化活性，那么是必要的增加三相反应界面的长度。而当燃料电池长度固定有限时，如何使尽可能多的Pt颗粒附着在电解质界面处则成为一项难题。在利用三电极法对Pt电极进行检测时，意外发现，如果改变Pt电极所处环境的温度，同时通入阳极极化电流，检测数据显示出Pt电极的极化电阻Rp会发生变化。深入研究发现，Pt电极在加热条件下通入阳极极化电流，Pt电极的极化电阻Rp会不断减小，由此证明，Pt电极的电催化活性在不断提升。进一步对极化处理前后的Pt电极进行观测后发现，通过现有技术将Pt涂覆在电解质表面上并经过退火处理后，附着在电解质表面上的Pt颗粒粒径较大，而经过本发明所述方法处理后的Pt电极附着在电解质表面上的Pt颗粒粒径较小，这就使得在同等燃料电池几何尺寸的条件下，本发明得到的电解质界面上能够附着更多的Pt颗粒，使更多的Pt颗粒参与到电化学反应过程中，也有效增加了三相反应界面的长度，从而提高电极的电催化活性。
二、实施例与对比例
表1
实施例 电解质材料 退火温度（℃） 退火时间（h） 极化电流密度（mA/cm<sup>2</sup>） 极化温度（℃） 极化时间（h）
1 YSZ 1100 2 500 800 12
2 YSZ 1100 2 200 800 12
对比例1 YSZ 1100 2 -- -- --
对比例2 YSZ 1100 2 0 800 40
注：--表示未进行该项操作。
对实施例1~2和对比例1得到的Pt电极进行扫描电子显微镜观察后发现，Pt电极上Pt颗粒的粒径出现了变化，图1是对比例1经过退火处理后获得的Pt电极SEM表面形貌图，从图上可以看出，此时Pt电极形成大块的烧结区域，颗粒较大，平均晶粒尺寸约为1.9μm，随着极化的进行，Pt电极颗粒的大小开始发生变化，对比图1和图2可以观察到，实施例1经过极化处理后Pt颗粒被细化，其中，分散到电解质表面的Pt颗粒平均粒径小于50nm（见图2右上角），残留的较大团簇的平均粒径小于100nm（见图2右下角），图4也证明了实施例2得到的Pt电极界面处的Pt颗粒同样被细化了。
采用三电极法对实施例1~2的极化过程进行检测，得到图3和图5，从这两个图上都可以看出，随着极化工艺的进行，电池的极化电阻Rp在不断减小，这也证明了电极的电催化活性在不断提升，由此可以看出，通过本发明所述的极化处理工艺，能够有效减小Pt颗粒的粒径，使Pt电极上电极/电解质界面之间能够覆盖更多的Pt颗粒，从而增加了三相界面长度，提高了电极的电催化活性。对比例2制备得到的Pt电极进行电阻的检测后发现，参见图6，由于对比例2没有经过本发明所述的方法进行处理，在不加电流条件下进行稳定性测试，其极化电阻Rp会随时间不断增大，这也证明了经过本发明所述方法处理后的Pt电极具有电化学活性好和稳定性高的优势。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种Pt电极颗粒，其特征在于，采用如下方法获得：
（1）将Pt电极浆料涂覆在电解质的一侧表面上，随后在一定温度下退火一段时间，得到Pt电极；
（2）将步骤（1）得到的Pt电极在一定温度和一定电流密度的条件下进行极化处理。
2.根据权利要求1所述Pt电极颗粒，其特征在于，步骤（1）中所述的电解质材料为8mol%Y2O3掺杂的ZrO2（YSZ）。
3.根据权利要求1所述Pt电极颗粒，其特征在于，所述步骤（1）中退火温度为800~1400℃。
4.根据权利要求1所述Pt电极颗粒，其特征在于，所述步骤（1）中退火时间为0.1~10h。
5.根据权利要求1所述Pt电极颗粒，其特征在于，所述步骤（2）中极化的温度为500~1000℃。
6.根据权利要求1所述Pt电极颗粒，其特征在于，所述步骤（2）中极化的电流密度为1~2000 mA/cm2，进行极化处理的时间为12h。
7.一种如权利要求1~6任一所述Pt电极颗粒，其特征在于，所述Pt颗粒的粒径小于100nm。
8.一种Pt电极颗粒的应用，其特征在于，如权利要求7所述细化的Pt电极颗粒用于固体氧化物燃料电池的电极材料。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103219525A (zh) * 2012-01-19 2013-07-24 中国科学院上海硅酸盐研究所 低温固体氧化物燃料电池及其制备方法
CN103515633A (zh) * 2013-09-02 2014-01-15 清华大学 一种有序化固体氧化物膜电极
CN103794804A (zh) * 2014-02-13 2014-05-14 上海交通大学 用于对称型固体氧化物燃料电池的电极及复合电极材料
CN109768292A (zh) * 2019-03-15 2019-05-17 福州大学 一种固体氧化物燃料电池电化学极化原位制备阳极的方法
US20190379057A1 (en) * 2018-06-12 2019-12-12 West Virginia University Electrocatalyst structures for an electrode
CN111725526A (zh) * 2020-06-30 2020-09-29 福州大学 一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103219525A (zh) * 2012-01-19 2013-07-24 中国科学院上海硅酸盐研究所 低温固体氧化物燃料电池及其制备方法
CN103515633A (zh) * 2013-09-02 2014-01-15 清华大学 一种有序化固体氧化物膜电极
CN103794804A (zh) * 2014-02-13 2014-05-14 上海交通大学 用于对称型固体氧化物燃料电池的电极及复合电极材料
US20190379057A1 (en) * 2018-06-12 2019-12-12 West Virginia University Electrocatalyst structures for an electrode
CN109768292A (zh) * 2019-03-15 2019-05-17 福州大学 一种固体氧化物燃料电池电化学极化原位制备阳极的方法
CN111725526A (zh) * 2020-06-30 2020-09-29 福州大学 一种原位构筑氧化物阳极的电化学方法

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