一种抗积碳的固体氧化物燃料电池的阳极材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种抗积碳的固体氧化物燃料电池的阳极材料及其制备方法和用途。所述阳极材料包含化学式MOx所示的氧化物，其中，M为Mo、W、Ru、V、Os、Ir、Rh或Pd，x为摩尔分数，且1≤x≤3；并且其中所述化学式MOx所示的氧化物是一维纳米粉末或介孔材料粉末。所述阳极材料具有好的抗积碳性能、改进的催化活性和长期稳定性。所述阳极材料可以通过水热法、固相法、溶胶-凝胶法、柠檬酸-硝酸盐燃烧法或甘氨酸-硝酸盐燃烧法制备。此外，本发明专利技术还提供了所述阳极材料在固体氧化物电解池和碳氢化合物燃料重整器中的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种抗积碳的固体氧化物燃料电池的阳极材料及其制备方法和用途
本专利技术涉及一种抗积碳的固体氧化物燃料电池的阳极材料及其制备方法和用途。
技术介绍
固体氧化物燃料电池（简称SOFCs）是一类可以将燃料气体的化学能以高效而环境友好的方式直接转化为电能的电化学反应器。固体氧化物燃料电池与目前研究的其它燃料电池相比，具有可以使用经济合理的材料组件、对燃料中杂质低的敏感性和高的能量转化效率等优点[1]。但是目前SOFCs从成本和耐久性上与传统的内燃机都还无法竞争。最近10多年研究主要集中开发可以直接氧化碳氢化合物燃料的中低温固体氧化物燃料电池，这是因为传统的阳极材料镍/氧化钇稳定的氧化锆(Ni/YSZ)金属陶瓷阳极材料在使用碳基燃料时存在积碳和硫中毒的问题。因此，研究替代的阳极材料对于开发碳基燃料的SOFCs及其商业化非常重要。为了设计具有高性能和长期稳定性的固体氧化物燃料电池非常迫切地需要开发低成本、高效、稳定的材料。虽然近年来报道的一些阳极材料具有一些抗积碳和/或抗硫中毒性能，例如Cu-CeO2[2,3]、(La0.75Sr0.25)0.9Cr0.5Mn0.5O3(LSCM)[4]、La4Sr8Ti11Mn0.5Ga0.5O37.5[5]、Sr2Mg1-xMnxMoO6-δ(SMM)[6]、BaZr0.1Ce0.7Y0.2-xYbxO3-δ(BZCYYb)[7]、Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ（SFM）[8]和Pr0.8Sr1.2(Co,Fe)0.8Nb0.2O4+δ[9]。但是，迄今为止这些阳极材料仍然存在一些问题，主要是与Ni相比具有低的催化活性。此外，在高温工作条件下，一些材料还不够稳定[1]。为了改善电池的电化学性能和长期稳定性，这些阳极材料的组成和微观结构也需要进一步优化。一般认为纳米结构的SOFCs电极材料可以扩展反应发生的三相界面，从而显著地改善电极反应的动力学[10-15]。固体氧化物电解池（简称SOECs）以SOFCs逆方式工作。SOECs是一种重要的能量转化系统，它可以合理而有效地将风能、潮汐能和太阳能等可再生能源转化为化学能，因此是有效的能量储存手段[16，17]。目前SOECs的长期稳定性仍然是一个问题，人们提出了一些衰退和失效的机理，包括氧化硅杂质在Ni-YSZ界面偏析，当暴露于高水汽条件下Ni在Ni-YSZ电极中的迁移，阳极分层等，因此仍需寻找高效而稳定的负极材料。参考文献[1]Sun,C.W.;StimmingU.Recentanodeadvancesinsolidoxidefuelcells,J.PowerSources.2007,171,247-260.[2]ParkS.D.;VohsJ.M.,GorteR.J.Directoxidationofhydrocarbonsinasolid-oxidefuelcell，Nature,2000,404,265-267.[3]GorteR.J.;ParkS.;VohsJ.M.;WangC.H.Anodesfordirectoxidationofdryhydrocarbonsinasolid-oxidefuelcell,Adv.Mater.2000,12,1465-1469.[4]TaoS.W.;IrvineJ.T.S.Aredox-stableefficientanodeforsolidoxidefuelcells,Nat.Mater.2003,2,320-323.[5]Ruiz-MoralesJ.C.;Canales-vazqzezJ.;SavaniuC.;Marrero-LopezD.;ZhouW.Z.;IrvineJ.T.Disruptionofextendeddefectsinsolidoxidefuelcellanodesformethaneoxidation,Nature2006,439,568-571.[6]HuangY.H.;DassR.I.;XingZ.L.;GoodenoughJ.B.Doubleperovskitesasanodematerialsforsolid-oxidefuelcells,Science2006,312,254-257.[7]YangL.;WangS.;BlinnK.;LiuM.;LiuZ.;ChengZ.;LiuM.EnhancedsulfurandcokingtoleranceofamixedionconductorforSOFCs:BaZr0.1Ce0.7Y0.2-xYbxO3-δ,Science2009,326,126-129.[8]LiuQ.;DongX.;XiaoG.;ZhaoF.;ChenF.AnovelelectrodematerialforsymmetricalSOFCs,Adv.Mater.2010,22,5478-5482.[9]YangC.;YangZ.;JinC.;XiaoG.;ChenF.Sulfur-tolerantredox-reversibleanodematerialfordirecthydrocarbonsolidoxidefuelcells,Adv.Mater.2012,24,1439-1443.[10]SunC.W.;XieZ.;XiaC.R.;LiH.;ChenL.Q.InvestigationofmesoporousCeO2-Ruasareformingcatalystlayerforsolidoxidefuelcells,Electrochem.Commun.,2006,8,833-838.[11]AntoniettiM.;OzinG.A.Promisesandproblemsofmesoscalematerialschemistryorwhymeso?ChemEurJ.2004,10,28-41.[12]ZhiM.;MarianiN.;GemmenR.;GerdesK.;WuN.Nanofiberscaffoldforcathodeofsolidoxidefuelcell,EnergyEnviron.Sci.2011,4,417-420.[13]ChuehW.C.;HaoY.;JungW.;HaileS.M.Highelectrochemicalactivityoftheoxidephaseinmodelceria-Ptandceria-Nicompositeanodes,Nat.Mater.,2012,11,156-161.[14]BellinoM.G.;SacanellJ.G.;LamasD.G.;LeyvaA.G.;WalsoedeRecaN.E.High-performancesolid-oxidefuelcellcathodesbasedoncobaltitenanotubes,J.Am.Chem.Soc..,2007,129,3066-3067.[15]ScholklapperT.Z.;KurokawaH.;JacobsonC.P.;ViscoS.J.;DeJongheL.C.Nanostructuredsolidoxidefuelcellelectrodes,NanoLett.2007,7,2136-2141本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗积碳的固体氧化物燃料电池的阳极材料，其中，所述阳极材料包含化学式MOx所示的氧化物，其中，M为Mo、W、Ru、V、Os、Ir、Rh或Pd，x为摩尔分数，且1≤x≤3；并且其中所述化学式MOx所示的氧化物是一维纳米粉末或介孔材料粉末。

【技术特征摘要】
1.一种抗积碳的固体氧化物燃料电池的阳极材料，其中，所述阳极材料包含化学式MOx所示的氧化物和占阳极材料总重量1～30％的氧离子导体氧化物或质子导体氧化物，其中，M为Mo、W、Ru、V、Os、Ir、Rh或Pd，x为摩尔分数，且1≤x≤3；并且其中所述化学式MOx所示的氧化物是一维纳米粉末或介孔材料粉末。2.根据权利要求1所述的阳极材料，其中，所述一维纳米粉末的直径为50～500纳米；长度为1～20微米。3.根据权利要求1所述的阳极材料，其中，所述一维纳米粉末的直径为150～200纳米；长度为2～10微米。4.根据权利要求1至3中任一项所述的阳极材料，其中，所述化学式MOx所示的氧化物为MoO3纳米棒、介孔MoO2粉末、介孔RuO2粉末或介孔PdO粉末，并且其中所述MoO3纳米棒的表面修饰有Fe2(MoO4)3纳米颗粒。5.根据权利要求4所述的阳极材料，其中，所述MoO3纳米棒的直径为150～200纳米，所述Fe2(MoO4)3纳米颗粒的尺寸小于等于200纳米。6.根据权利要求5所述的阳极材料，其中，所述Fe2(MoO4)3纳米颗粒的尺寸为20～200纳米。7.根据权利要求4所述的阳极材料，其中，所述Fe2(MoO4)3纳米颗粒占MoO3纳米棒与Fe2(MoO4)3纳米颗粒总重量的5～45％。8.根据权利要求4所述的阳极材料，其中，所述Fe2(MoO4)3纳米颗粒占MoO3纳米棒与Fe2(MoO4)3纳米颗粒总重量的10～20％。9.根据权利要求1至3中任一项所述的阳极材料，其中，所述氧离子导体氧化物为选自钐掺杂的氧化铈、钆掺杂的氧化铈、氧化钇稳定的氧化锆、氧化钪稳定的氧化锆、锶和镁掺杂的镓酸镧、钼酸镧以及掺杂K或Na的硅酸锶/锗酸锶中的一种或多种。10.根据权利要求1至3中任一项所述的阳极材料，其中，所述氧离子导体氧化物为Sm0.2Ce0.8O1.9、Gd0.2Ce0.8O1.9、(Sc2O3)0.1(ZrO2)0.9、La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O2.815、La2MoO9、Sr0.8K0.2Si0.5Ge0.5O2.9或Sr0.8Na0.2Si0.5Ge0.5O2.9。11.根据权利要求1至3中任一项所述的阳极材料，其中，所述氧离子导体氧化物的颗粒大小为100纳米～50微米。12.根据权利要求1至3中任一项所述的阳极材料，其中，所述氧离子导体氧化物的颗粒大小为500纳米～10微米。13.根据权利要求1至3中任一项所述的阳极材料，其中，所述质子导体氧化物为BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ，其中，0≤δ≤0.5。14.一种制备抗积碳的固体氧化物燃料电池的阳极材料的方法，所述阳极材料包含化学式MOx所示的氧化物和占阳极材料总重量1～30％的氧离子导体氧化物，其中，M为Mo、W、Ru、V、Os、Ir、Rh或Pd，x为摩尔分数，且1≤x≤3；并且其中所述化学式MOx所示的氧化物是一维纳米粉末或介孔材料粉末，所述方法包括以下步骤：(1)将化学式MOx所示的氧化物粉末和造孔剂以9:1～7:3的重量比混合，加入含有乙基纤维素的松油醇作为粘结剂，并加入乙醇和/或丙酮作为分散介质，进行球磨得到均匀浆液，然后通过丝网印刷方法将浆液涂在电解质片支撑体上，于800～1100℃下焙烧，即制得多孔结构的氧化物；所述含有乙基纤维素的松油醇用量为氧化物粉末重量的1.5倍；(2)将所述氧离子导体氧化物的硝酸盐和/或乙酸盐按其化学计量比配成水溶液；(3)将步骤(2)制得的水溶液作为浸渍液滴加到步骤(1)制得的多孔结构氧化物中进行浸渍，晾干，然后于400～1200℃下焙烧形成氧离子导体氧化物颗粒，重复上述浸渍和烧结步骤，直到获得氧离子导体氧化物的目标含量，即制得阳极材料。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述化学式MOx所示的氧化物为MoO3纳米棒、介孔MoO2粉末、介孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙春文，杨伟，马朝晖，陈立泉，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11