本发明专利技术公开一种制备Bi4V2O11纳米晶及银掺杂的BIAGVOX1.0纳米晶的方法，制备Bi4V2O11纳米晶的方法包括：配制Bi(NO3)3溶液；将NH4VO3溶于去离子水中，磁力搅拌并加入正丁胺，形成一混合液；Na2SO3·7H2O溶于混合液中，全部溶解后，一次性注入Bi(NO3)3溶液以迅速产生乳黄色浑浊，搅拌后形成一乳黄色浆液；置于160℃～220℃烘箱中3～7天，以进行水热反应；自然冷却至室温，然后以去离子水、乙醇多次洗涤并离心，干燥得到棕黄色粉末。本发明专利技术可以在水热条件下合成Bi4V2O11纳米晶和银掺杂的BIAGVOX.10纳米晶。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电解质材料(固体氧化物燃料电池重要的组成部分)的合成方法，特别涉及一种在水热条件下制备氧离子导体Bi4V2O11及银掺杂的BIAGVOX1.0纳米晶的方法。
技术介绍
随着世界经济高速发展到今天，能源问题日益突出，更加为全球所瞩目。为解决能源危机，各国纷纷投入人力、物力开发新能源。其中燃料电池(FC)的开发就是解决能源问题的一条有效途径。燃料电池(Fuel Cell，简写FC)是一种不经过燃烧过程能将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的装置。目前世界上主要的FC按所用电解质种类的不同可以分为碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(Solid Oxide FuelCell简称SOFC)等五类。在所有的燃料电池中，固体氧化物燃料电池由于其独有的全固态结构、低成本燃料、使用范围广、可以在电池内部进行燃料重整以及高效率热电联产等特点，成为燃料电池领域中的研究热点。SOFC主要由阴极、阳极、电解质和连接材料组成。其工作原理如图7所示：(1)阴极又叫空气极，氧气在阴极上还原成氧负离子。反应式：1/2O2(g)+2e-＝O2-(s)(2)阳极又叫燃料极，从阴极扩散过来的氧负离子与燃料在电解质与阳极的界面处发生。反应式：O2-(s)+H2(g)＝H2O(g)+2e-或O2-(s)+CO(g)＝CO2(g)+2e-燃料电池在运行过程中，在阳极和阴极分别送入还原(H2或CO)、氧化(O2)气体后，氧气在多孔的阴极上发生还原反应，生成氧负离子。氧负离子在电解质中通过氧离子空位和氧离子之间的换位跃迁到达阳极，然后与燃料反应，
生成H2O或CO2，因而形成了带电离子的定向流动。通过负载输出电能，化学能就转变成电能。20世纪80年代以后，由于全球能源问题的日益突出和材料科学的迅速发展，日本、美国和欧盟等纷纷加大了对SOFC的研究力度，取得了一系列的突破，以美国西门子－西屋电气公司为代表的国外公司已经使SOFC走向早期商业运行阶段。目前世界各国都在积极投入SOFC技术的研发，与之相应的燃料电池堆的设计也从1984年就开始了。1997年10月在新西兰运行了100kW的固体氧化物燃料电池。德国用80个平面型电池建立了功率为10kw的平面型燃料电池堆。我国SOFC的研制始于上个世纪七十年代,当时中科院上海硅酸盐研究所开展SOFC的电解质材料和电极材料的研究。近几年来,国内很多大学及科研院所纷纷开展SOFC的相关材料、单电池组装及测试方面的研究工作。大连化物所在固体电解质、电极材料和SOFC单电池制备研究方面的工作很突出。目前SOFC存在着许多问题，如：由于SOFC的运行温度比较高(600℃－1000℃)，阴极材料会逐渐烧结，阳极材料则会发生团聚导致电极气孔率和活性下降，电解质与阴极发生界面反应形成高阻的第二相，加速电池的衰退和电池寿命的缩短。并且太高的温度也对密封和连接材料提出了非常苛刻的要求，从而增加了电池放大和组装的困难。合成新的电池材料以降低SOFC的工作温度，发展中低温SOFC是研究的热点。中低温SOFC的关键技术在电解质薄膜的制备以及性能良好的中低温电解质材料。与液体电解质不同的是，固体电解质要么体现阳离子导电，要么体现阴离子导电，但通常不会同时表现。在很多研究集中在阳离子快离子导电的同时，如Ag+、Na+和Li+，阴离子导体也进行了大量的工作并取得进步，尤其是氧离子导体。这其中具有本征氧空位的Aurivillius相Bi4V2O11(Bi2VO5.5)及其掺杂的氧化物BIMEVOX因有迄今为止最高的低温氧快离子导电性而成为科研人员关注的焦点。1988年F.Abraham等人发表了第一篇关于Bi4V2O11的论文,这篇文章报道了在600℃该化合物表现出数量级为10-2异常高的电导率。母体化合物Bi4V2O11存在α(单斜相)、β(正交相)和γ(四方相)三种晶相。在连续加热的过程中，三种晶相之间会依次发生相转变：常温开始加热到450℃时，α→β；
继续加热至570℃时，β→γ。高温相γ-Bi4V2O11(四方相)导电性能最佳。母体化合物Bi4V2O11不寻常的地方还在于它能与大多数阳离子发生取代生成固溶体而毋需考虑取代金属阳离子的半径。这个小组还介绍了一系列阳离子取代部分钒离子的Bi4V2O11的氧离子导体。金属阳离子可以是Cu、Co、Ni、Zn、Mg、Zr、Ag等相当多的离子，这类化合物被命名为BIMEVOX(BI＝bismuth(铋)，ME＝metal dopant(金属掺杂物)，V＝vanadium(钒)，OX＝oxide(氧化物))。BIMEVOX是一类新型的中低温氧离子导体材料，该系列化合物可以在室温下获得高导电率的γ相。在300℃时，这类材料的电导率数量级可达到10-3Scm-1，电导率值高出其他固体电解质50-100倍，从而掀起了B位掺杂的热潮。通常BIMEVOX的多晶样品用它们的母体氧化物粉末在高温下以固相反应合成。低温合成路线，如共沉淀辅以低温烧结，机械化学激活法也已成功用于Bi4V2O11-δ精细颗粒的合成上，但只能得到多晶样品，单晶样品则还需要通过熔融法得到。BIMEVOX薄膜的制备主要以溶胶-凝胶、化学气相沉积和激光沉积法得到。国内固体氧化物燃料电池电解质材料的制备多局限于固相合成方法，如《氧化钪掺杂氧化铋固体氧化物燃料电池电解质及制备方法》(中国专利公开号CN103904351A)是一种将两种固体反应物通过球磨并活化，分段加热、保温后控温冷却至室温的固相合成方法；《磷灰石结构锗酸镧电解质粉体及其低温熔盐制备方法》(中国专利公开号CN103078127A)以氧化镧和氧化锗为反应原料，以氯化钠为熔盐；将原料和熔盐混合并加入无水乙醇进行球磨；球磨后的原料和熔盐的混合物烘干后烧结；烧结产物用去离子水洗涤再烘干，得到理想的磷灰石结构的锗酸镧电解质材料La10-xGe6O27-1.5x(0≤x＜0.40)粉体。《致密的锗酸镧电解质片体的热高压制备法》(中国专利公开号CN103094594A)以熔盐法制备的La9.33Ge6O26电解质材料粉体为原料，自组装样品腔作为反应腔体，六面顶大压机作为反应设备，在温度为900～1100℃，且压力为3.0～5.0GPa条件下，保温保压0.5～2小时，成功制备致密的La9.33Ge6O26电解质片体。水热合成是简便、低成本、环境友好的软化学制备方法。但在固体氧化物燃料电池材料的制备方面应用还是非常少。国内专利仅《固体氧化物燃料电池电解质材料纳米YSZ的水热合成方法》(中国专利公开号CN102447125A)将一定比例的氯氧化锆和氯化钇溶解于水中，用尿素做共沉淀剂在70℃以上共沉
淀，经陈化、过滤、洗涤后，将滤饼用去离子水打浆，浆料在高温高压水热合成纳米晶的产成物，经砂磨、超声破碎、高速离心分离、喷雾干燥制成纳米级的共晶良好、性能优越的YSZ。迄今为止，母体化合物Bi4V2O11及B位掺杂的BIMEVOX系列化合物国内外均没有水热合成的报道。前面提到BIMEVOX系列化合物独特之处在于，它能被多种金属离子取代而无需考虑离子半本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种制备Bi4V2O11纳米晶的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)配制10mL～40mL浓度为0.2mol/L的Bi(NO3)3溶液；2)将0.117～0.468g NH4VO3溶于5～20mL去离子水中，磁力搅拌并加入7.5mL～30mL正丁胺，形成一第一混合液；3)称量0.252g～1.008gNa2SO3·7H2O溶于步骤2)所述第一混合液中，使其全部溶解形成一第二混合液，将步骤1)所述Bi(NO3)3溶液一次性注入所述第二混合液以迅速产生乳黄色浑浊，搅拌后形成一乳黄色浆液；4)将该乳黄色浆液置于160℃～220℃烘箱中3～7天，以进行水热反应；5)步骤4)产物自然冷却至室温，然后以去离子水、乙醇多次洗涤并离心，干燥得到棕黄色粉末。
【技术特征摘要】
1.一种制备Bi4V2O11纳米晶的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)配制10mL～40mL浓度为0.2mol/L的Bi(NO3)3溶液；2)将0.117～0.468g NH4VO3溶于5～20mL去离子水中，磁力搅拌并加入7.5mL～30mL正丁胺，形成一第一混合液；3)称量0.252g～1.008gNa2SO3·7H2O溶于步骤2)所述第一混合液中，使其全部溶解形成一第二混合液，将步骤1)所述Bi(NO3)3溶液一次性注入所述第二混合液以迅速产生乳黄色浑浊，搅拌后形成一乳黄色浆液；4)将该乳黄色浆液置于160℃～220℃烘箱中3～7天，以进行水热反应；5)步骤4)产物自然冷却至室温，然后以去离子水、乙醇多次洗涤并离心，干燥得到棕黄色粉末。2.根据权利要求1所述的制备Bi4V2O11纳米晶的方法，其特征在于，于步骤1)中，所述Bi(NO3)3溶液为以Bi(NO3)3·5H2O及95％的浓硝酸进行配制。3.根据权利要求1所述的制备Bi4V2O11纳米晶的方法，其特征在于，于步骤3)中，搅拌10～30分钟后形成该乳黄色浆液。4.根据权利要求1所述的制备Bi4V2O11纳米晶的方法，其特征在于，于步骤4)中，将该乳黄色浆液转移入25mL～100mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，置于160℃～220℃的烘箱中，反应3～7天。5.根据权利要求1所述的制备Bi4V2O11纳米晶的方法，其特征在于，于步骤5)中，于60℃～100℃烘箱中干燥2～4小时得到棕黄色粉末。6.一种制备银掺杂的BIAGVOX1.0纳米晶的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)配制10mL～40...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋锐，杨金胜，王旭，
申请(专利权)人：中国石油天然气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11
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