一种双层钙钛矿结构的燃料电池阳极材料及制备方法技术

本发明专利技术提出一种双层钙钛矿结构的燃料电池阳极材料及制备方法，将锶、钼、镍的硝酸盐晶体混合后进行湿法球磨，浆体加入造孔剂等助剂过滤干燥压延后预烧，将预烧后的片状多孔材料浸渍于氯化镁溶液中，待多孔片材充分吸附后进行高温烧结，制备获得板材状双层钙钛矿结构的阳极材料Sr2Mo1‑yNi1‑yMg2yO6‑x。本发明专利技术提供上述方法克服了普通双层钙钛矿结构存在H2气氛下不稳定，B位掺杂金属原子容易在高温反应中析出，高温下电导率较低，难以实际应用的缺陷，本发明专利技术提出一种双层钙钛矿结构的燃料电池阳极材料及制备方法，在双层钙钛矿结构阳极基础上提高了电子电导率和结构稳定性，为其在燃料电池电极中的使用提供了可能。

【技术实现步骤摘要】
一种双层钙钛矿结构的燃料电池阳极材料及制备方法
本专利技术涉及燃料电池材料领域，具体涉及一种双层钙钛矿结构的燃料电池阳极材料及制备方法。
技术介绍
能源问题是现今社会能否实现可持续性发展的重要制约性问题之一。由于对于传统的化石燃料不可再生，且使用过程中造成的环境污染严重，寻求环保型的再生能源是21世纪人类面临的严峻的任务。燃料电池(Fuelcell)是一种新型的能源技术，其通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为电能，所用的燃料为氢气、甲醇和烃类等富氢物质，对环境没有污染以及具有高的能量效率和高的功率密度，因此，燃料电池具有广阔的应用前景。固体氧化物燃料电池(SolidOxideFuelCell，SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，为第三代燃料电池，是较新型的燃料电池，其相比于其他类型燃料电池，除具备有燃料电池普遍的高效率，低污染等优点外，其高操作温度以及全固体结构也带来了其他独有的优势。固体氧化物燃料电池的单电池主要由电解质（Electrolyte）、阴极（Cathode）和阳极（Anode）组成。其组成结构采用由多孔阴极、阳极和之间的致密电解质构成的三明治结构。其中致密的电解质层既起到气体隔离的作用，又起到离子传输的作用，阴极的作用是接受外电路传入的电子，将阴极气中的氧分子还原成氧离子并向电解质传输，阳极材料除了在薄膜化的SOFC中起到支撑体的作用，还作为燃料发生电化学反应的催化剂，并提供反应界面，同时，它是燃料电池电路系统中不可缺少的重要组成部分。阳极材料的选择、微观结构的设计直接影响SOFC的工作特性。传统SOFCs的阳极材料多为金属-陶瓷复合材料如Ni-YSZ或Ni-SDC，但此类材料的机械性能较弱，在使用碳氢气体做燃料时，传统的阳极材料就会出现严重的碳沉积、硫中毒等问题，无法实现工业化发展。新型单相混合导体阳极材料主要包括钙钛矿型(ABO3)、萤石型(MO2)、金红石型(MO2)、烧绿石型(A2B2O7)和钨铜矿型(A0.6BO3)氧化物等。其中钙钛矿型氧化物由于具有良好的化学稳定性和结构稳定性，并且90%的金属元素都可以进入钙钛矿结构中,因此将其作为固体氧化物燃料电池阳极材料得到了人们的广泛重视并取得了许多新的研究进展。双层钙钛矿氧化物是相应于单层钙钛矿型氧化物而命名的，通式可以表示为A2B’B’’O6,一般情况下B’和B”是不同的过渡金属离子，其中，双钙钛矿结构的Sr2MgMoO6具有良好的抗硫中毒和碳沉积能力，对碳氢燃料具有一定的催化活性，并且热膨胀系数与常用电解质匹配，适合用作SOFC的阳极材料。通过A/B位异价离子的掺杂，使得双钙钛矿结构的电导率及催化活性提高。中国专利技术专利公开号201210109406.4，通过选择合成方法和焙烧条件可以在空气气氛中合成物理化学性质稳定的Sr2-xAxMg1-yByMoO6阳极材料(A＝La、Sm、Nd，B＝Cr、Mn、Cu)。在B位掺入了低价金属元素，产生了氧空位从而形成缺陷，增加电导。但是，上述掺杂结构的双层钙钛矿结构存在在H2气氛下不稳定，B位掺杂金属原子容易在反应中析出的缺点。也有报道用双钙钛矿Sr2NiMoO6-x做阳极材料，其具有更加优良的电导率和与La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ（LSGM）电解质相匹配的热膨胀系数，是LSGM电解质的阳极候选材料，由于在高温阶段符合氧空位导电机制，其电导率随温度的升高先增后减，难以实际应用。因此，探索一种新型结构的双层钙钛矿结构阳极材料，使材料随温度升高电导率提高，对于双层钙钛矿结构阳极的高温条件下电导率提升具有十分重要的实际意义。
技术实现思路
针对现有技术中普通双层钙钛矿结构存在H2气氛下不稳定，B位掺杂金属原子容易在高温反应中析出，高温下电导率较低，难以实际应用的缺陷，本专利技术提出一种双层钙钛矿结构的燃料电池阳极材料及制备方法，在双层钙钛矿结构阳极基础上提高了电子电导率和结构稳定性，为其在燃料电池电极中的使用提供了可能。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案：一种双层钙钛矿结构的燃料电池阳极材料，所述阳极材料采用双钙钛矿型固体氧化物Sr2MoNiO6作为母体材料，B位掺杂Mg元素，形成分子式为Sr2Mo1-yNi1-yMg2yO6-x的阳极材料，其中0≤x≤1，0＜y≤0.5。提供一种双层钙钛矿结构的燃料电池阳极材料的制备方法，采用锶、钼、镍的硝酸盐晶体作为原料，具体制备方法为：（1）将六水合硝酸锶、五水合硝酸钼、六水合硝酸镍按化学计量比例加入球磨机中，再加入摩尔量为金属阳离子摩尔总量1-1.5倍的乙二醇和柠檬酸混合液进行球磨，控制球磨转速为300-2000转/分钟，球磨0.5-3小时，得到混合浆料；（2）向所述混合浆料中，按计量比1：0.01-0.03加入造孔剂，过滤干燥后，压延成型，经过600-1000℃空气中预烧，得到片状多孔母体材料；（3）将所述预烧后的片状多孔母体材料浸渍于氯化镁溶液中，静置2-4小时，待所述片状多孔材料充分吸附镁离子后，捞出经过200-350℃的空气气氛下加热4-8小时干燥；（4）干燥之后放入真空炉进行1400-1600℃高温烧结，保温时间为5-12h，冷却至室温后，经过退火处理，获得板材状双层钙钛矿结构的阳极材料。优选的，所述球磨过程中采用水冷环境控制球磨机温度维持在40-60℃范围内。优选的，所述造孔剂为淀粉、PMMA、碳酸氢铵、尿素、PVP、PEG、PVA中的一种或两种以上的组合。优选的，所述压延的压力控制在5-10MPa范围内，层片厚度为0.5-5mm。优选的，所述空气预烧时间为5-10小时，烧结过程中保持空气湿度为35%以下，所述片状多孔材料的孔径为0.3-5μm。优选的，所述氯化镁溶液的用量按照Sr2Mo1-yNi1-yMg2yO6-x的计量比配制。优选的，在所述片状多孔材料吸附镁离子过程中，控制氯化镁溶液的温度为60-80℃，使镁离子充分渗入多孔材料孔径内部。优选的，所述退火处理为350-600℃下热处理12-16小时，消除材料内应力，增加使用寿命。针对现有技术中固体氧化物燃料电池的阳极材料普通双层钙钛矿结构在H2气氛下不稳定，B位掺杂金属原子容易在高温反应中析出，高温下电导率较低，难以实际应用的缺陷，本专利技术提出一种双层钙钛矿结构的燃料电池阳极材料及制备方法，将锶、钼、镍的硝酸盐晶体混合后进行湿法球磨，浆体加入造孔剂等助剂过滤干燥压延后预烧，将预烧后的片状多孔材料浸渍于氯化镁溶液中，待多孔片材充分吸附后进行高温烧结，制备获得板材状双层钙钛矿结构的阳极材料。本专利技术制备的Sr2Mo1-yNi1-yMg2yO6-x类钙钛矿结构燃料电池阳极材料的A位为大半径原子Sr，引入的Mg对于B位的掺杂势垒较低，形成Sr2Mo1-yNi1-yMg2yO6-x类结构，其中Mo和Ni通过自身歧化反应构成双层结构，少量Mg原子替代Mo、Ni位掺杂，引起Mo、Ni变价和产生大量氧空位，同时大原子半径的Mg降低晶格内部间隙，减少间隙传导机制，使材料整体形成半导体导电机制而非金属导电机制，使材料随温度升高电导率提高。同时本专利技术制备的Sr2Mo1-yNi1-yMg2yO6-x类本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双层钙钛矿结构的燃料电池阳极材料，其特征在于，所述阳极材料采用双钙钛矿型固体氧化物Sr2MoNiO6作为母体材料，B位掺杂Mg元素，形成分子式为Sr2Mo1‑yNi1‑yMg2yO6‑x的阳极材料，其中0≤x≤1，0＜y≤0.5。

【技术特征摘要】
1.一种双层钙钛矿结构的燃料电池阳极材料，其特征在于，所述阳极材料采用双钙钛矿型固体氧化物Sr2MoNiO6作为母体材料，B位掺杂Mg元素，形成分子式为Sr2Mo1-yNi1-yMg2yO6-x的阳极材料，其中0≤x≤1，0＜y≤0.5。2.根据权利要求1所述的一种双层钙钛矿结构的燃料电池阳极材料的制备方法，其特征在于，采用锶、钼、镍的硝酸盐晶体作为原料，具体制备方法为：（1）将六水合硝酸锶、五水合硝酸钼、六水合硝酸镍按化学计量比例加入球磨机中，再加入摩尔量为金属阳离子摩尔总量1-1.5倍的乙二醇和柠檬酸混合液进行球磨，控制球磨转速为300-2000转/分钟，球磨0.5-3小时，得到混合浆料；（2）向所述混合浆料中，按计量比1：0.01-0.03加入造孔剂，过滤干燥后，压延成型，经过600-1000℃空气中预烧，得到片状多孔母体材料；（3）将所述预烧后的片状多孔母体材料浸渍于氯化镁溶液中，静置2-4小时，待所述片状多孔材料充分吸附镁离子后，捞出经过200-350℃的空气气氛下加热4-8小时干燥；（4）干燥之后放入真空炉进行1400-1600℃高温烧结，保温时间为5-12h，冷却至室温后，经过退火处理，获得板材状双层钙钛矿结构的阳极材料。3.根据权利要求2所述的一种双层钙钛矿结构的燃料电池阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，廖健淞，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51