一种钙钛矿混合导体材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种新型的氧离子、质子以及电子混合导体的固体氧化物燃料电池阴极材料，阴极材料组成分子式为Sr2Sc0.1Nb0.1Co1.5Fe0.3O6−δ(SSNCF),其中δ表示氧空位含量，属于固体氧化物燃料电池阴极材料领域。此阴极材料在拥有一定的氧离子以及电子导电率的情况下，还具备优异的质子导电能力。具备质子、氧离子以及电子混合导电性，使SSNCF在质子导体上具备优异的电化学性能，相应的在650℃下最大输出功率高达840 mW·cm

A Perovskite Mixed Conductor Material and Its Preparation Method

The present invention relates to a novel solid oxide fuel cell cathode material with mixed conductors of oxygen ions, protons and electrons. The cathode material consists of Sr2Sc0.1Nb0.1Co1.5Fe0.3O6_delta (SSNCF), in which delta represents the oxygen vacancy content, and belongs to the field of solid oxide fuel cell cathode material. The cathode material also has excellent proton conductivity with certain oxygen ions and electronic conductivity. SSNCF possesses excellent electrochemical properties on proton conductors due to its mixed conductivity of protons, oxygen ions and electrons. The corresponding maximum output power of SSNCF is 840 mW cm at 650 C.

【技术实现步骤摘要】
一种钙钛矿混合导体材料及其制备方法
本专利技术涉及一种钙钛矿混合导体材料及其制备方法，更具体是涉及一种溶胶凝胶法制备的固体氧化物燃料电池阴极材料Sr2Sc0.1Nb0.1Co1.5Fe0.3O6−δ(SSNCF)及其制备方法和应用。
技术介绍
由于对清洁能源的急切需要，固体氧化物燃料电池因其具备极高的能量转换效率，多样的燃料选择性，清洁零污染，受到全世界的关注。传统的的固体氧化物燃料电池由于其极高的操作温度（800～1000℃），严重的阻碍了其大规模工业化的发展。因此，为了提高燃料电池的稳定性和降低材料成本，中低温化（400～700℃）的工作温度是其发展的趋势。随着操作温度的降低，质子导体的优越性显现出来，相对于氧离子导体，质子导体固体氧化物燃料电池的有点在于：质子具有较小的离子半径，所以传输过程中具有较小的活化能；随着温度的降低，质子迁移数增加；水在阴极生成，不会稀释燃料气，增大的燃料的可循环利用性等。因此，开发质子导体燃料电池阴极材料是燃料电池研究的一个突破方向。
技术实现思路
本专利技术提供一种高性能的质子导体固体氧化物燃料电池阴极材料Sr2Sc0.1Nb0.1Co1.5Fe0.3O6−δ(SSNCF)及其制备方法和应用，提高质子导体阴极性能。制备的分子式为Sr2Sc0.1Nb0.1Co1.5Fe0.3O6−δ阴极具备较小的极化阻抗，较高的电子电导率等，使得阴极材料可应用于中低温质子导体固体氧化物燃料电池中去。本专利技术的第一个方面，提供了：一种固体氧化物燃料电池阴极材料，其组成通式为A2B2O6-δ，分子式为：Sr2Sc0.1Nb0.1Co1.5Fe0.3O6−δ(SSNCF),其中δ表示氧空位含量。在一个实施方式中，0≤δ≤1。本专利技术的第二个方面，提供了：上述的固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，包括如下步骤：根据化学计量比，通过溶胶凝胶法制备得到。在一个实施方式中，先将Sc2O3用适量硝酸煮沸溶解至澄清透明，再将其与硝酸锶、草酸铌，、硝酸钴、硝酸铁按分子式中的化学计量比通过溶胶凝胶法制备得到。在一个实施方式中，包括如下步骤：先用适量浓度的硝酸将Sc2O3煮沸溶解，同时将草酸铌与一水合柠檬酸加入去离子水中溶解，再将两者与Sr(NO3)3，Co(NO3)2·6H2O，Fe(NO3)3·9H2O一起混合，溶解并加热搅拌；加入乙二胺四乙酸，然后滴加氨水至溶液pH为7~8之间，在加热搅拌的条件下使水分挥发得到凝胶状物质；将凝胶状物质置于烘箱中烘干，得到阴极材料前驱体，再将前驱体置于马弗炉中焙烧，得到所需电池阴极材料。在一个实施方式中，乙二胺四乙酸和柠檬酸与Sr、Sc、Nb、Co、Fe的总摩尔比是2:1:1。在一个实施方式中，烘干过程的条件是250℃处理5～8h。在一个实施方式中，焙烧参数是900℃焙烧5h。本专利技术的第三个方面，提供了：上述的固体氧化物燃料电池阴极材料在用于燃料电池中的用途。在一个实施方式中，所述的用途是指作为质子导体的用途。在一个实施方式中，电解质采用的是BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3。在一个实施方式中，阳极材料采用NiO和BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3(BZCYYb)构成的复合阳极。在一个实施方式中，复合阳极中NiO和电解质的质量比为3.5:6.5。在一个实施方式中，所述的用途中还对阴极材料的质子导电性能进行评价。在一个实施方式中，所述的用途是指提高电子电导率、质子导电性、活化能、输出功率或者电池稳定性。本专利技术的第四个方面，提供了：一种表征固体氧化物燃料电池阴极材料的质子导电性能的方法，包括如下步骤：将阴极材料压制成片状并煅烧成型，再在片材的两侧上沉积Pd金属层并烧结，作为表征材料；对表征材料进行氢气的透过试验，考察氢气的透过性能。在一个实施方式中，Pd金属层的厚度0.1-2μm。在一个实施方式中，沉积Pd金属层采用磁控溅射。在一个实施方式中，烧结参数是800℃下煅烧3h。在一个实施方式中，氢气的透过性能测试时，在表征材料的两侧分别通入氢气-氮气混合气、氩气吹扫气。在一个实施方式中，氢气的透过试验的温度是200-800℃。在一个实施方式中，氢气-氮气混合气的组成是10%H2-90%N2。有益效果通过透氢测试，三层致密结构Pd|SSNCF|Pd，分别在650℃，600℃，550℃，正常大气压下，达到透氢性能0.168mLmin-1cm-2，0.146mL(STP)min-1cm-2，0.126mL(STP)min-1cm-2。采溶胶凝胶法制备的固体氧化物燃料电池阴极材料Sr2Sc0.1Nb0.1Co1.5Fe0.3O6−δ(SSNCF)。具有较高的电池输出性能，以Ni-BZCYYb为阳极支撑制备的单电池在650℃，600℃，550℃，500℃，450℃的输出功率分别达到840mWcm-2，732mWcm-2，577mWcm-2，405mWcm-2，278mWcm-2。附图说明图1是SSNCF室温下的XRD图谱和TEM图；图2是SSNCF与BSCF的电子电导率；图3a是SSNCF的透氢量以及600℃与BSCF透氢量的对比；图3b是透氢量测试中换算成质子电导率图对比；图4是SSNCF在550℃透氢稳定性的测试；图5是SSNCF在600℃测试2小时后的形貌图；图6是SSNCF在500-700℃温度范围内空气下的各个温度点的阻抗；图7是SSNCF为阴极，Ni-BZCYYb为阳极支撑制备的单电池（Ni-BZCYYb||BZCYYb||SSNCF）在450～650℃范围内测试的I-V-P曲线图；图8是SSNCF为阴极，Ni-BZCYYb为阳极支撑制备的单电池（Ni-BZCYYb||BZCYYb||SSNCF）在550℃下测试的单电池稳定性图。具体实施方式本专利技术提供了一种钙钛矿混合导体，该混合导体的组成通式为A2B2O6-δ，分子式为：Sr2Sc0.1Nb0.1Co1.5Fe0.3O6−δ(SSNCF),其中δ表示氧空位含量。上述的钙钛矿混合导体的设计构思是：SSNCF采用Sr2ScNbO6(SSN)母体材料，母体材料SSN,本身作为一种潜在的质子导体材料而受到广泛关注，但是由于Sc和Nb价格的昂贵，并未被实际应用。通过大量掺杂相对低廉且具有大量活性位点的Co，Fe元素得到的SSNCF作为阴极材料，巧妙的在质子导体阴极材料中获得优异的成效，其中Co的加入可以较好的保持了母体材料双钙钛矿结构的质子导电性，又使材料具备了优异的电导率和催化活性；Fe元素的加入，一方面也可以提高母体材料的电导和催化活性，另一方面，由于其相对较大的离子半径也进一步提高了材料的结构和电化学稳定性。上述的材料可以通过溶胶凝胶法根据组成配比制备得到。另外，目前对于阴极质子导电性的研究依旧停留在水化作用进行的质子吸收和模拟计算，对于质子扩散的表征方法极为稀少，而实验用方法直接比较和计算质子导电能力依然停滞不前，为了表征上述的材料的质子导电性能，本专利技术还提供了一种表征测试手段。主要步骤是：将已经成相的阴极材料在高温下烧制成致密片状，在致密片两侧分别用磁控溅射沉积一层Pd金属，厚度为1微米，并高温煅烧成致密金属膜状，最后测试透氢性能；这种方法中，在材料两侧的Pd层一方面实现了氢气透过过程的实现（通过表面本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于，其组成通式为A2B2O6‑δ，分子式为：Sr2Sc0.1Nb0.1Co1.5Fe0.3O6−δ (SSNCF),其中δ表示氧空位含量。

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于，其组成通式为A2B2O6-δ，分子式为：Sr2Sc0.1Nb0.1Co1.5Fe0.3O6−δ(SSNCF),其中δ表示氧空位含量。2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于，在一个实施方式中，0≤δ≤1。3.权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于，在一个实施方式中，包括如下步骤：根据化学计量比，通过溶胶凝胶法制备得到。4.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于，先将Sc2O3用适量硝酸煮沸溶解至澄清透明，再将其与硝酸锶、草酸铌，、硝酸钴、硝酸铁按分子式中的化学计量比通过溶胶凝胶法制备得到；在一个实施方式中，先用适量浓度的硝酸将Sc2O3煮沸溶解，同时将草酸铌与一水合柠檬酸加入去离子水中溶解，再将两者与Sr(NO3)3，Co(NO3)2·6H2O，Fe(NO3)3·9H2O一起混合，溶解并加热搅拌；加入乙二胺四乙酸，然后滴加氨水至溶液pH为7~8之间，在加热搅拌的条件下使水分挥发得到凝胶状物质；将凝胶状物质置于烘箱中烘干，得到阴极材料前驱体，再将前驱体置于马弗炉中焙烧，得到所需电池阴极材料。5.根据权利要求3所述的固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于，乙二胺四乙酸和柠檬酸与Sr、Sc、Nb、Co、Fe的总摩尔比是2:1:1；烘干过程的条件是...

【专利技术属性】
技术研发人员：周嵬，周川，杨广明，何帆，王纬，邵宗平，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32