形成组合物（例如混合电极）的方法，该方法通过将前体溶液（例如用于电子传导材料的前体溶液）渗透多孔结构（例如由离子传导材料形成的多孔结构），并一次渗透在多孔结构上和内形成微粒层。该方法包括：形成包含至少一种金属盐和表面活性剂的溶液；加热溶液以基本上蒸发溶剂，形成浓缩的盐和表面活性剂溶液；将浓缩溶液渗入多孔结构以产生组合物；和加热组合物以将盐和表面活性剂基本上分解成氧化物和／或金属颗粒。结果为多孔结构的孔壁上的微粒层。在某些情况下，该微粒层为连续网络。相应的装置具有改善的性质和性能。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】 关于联邦政府资助的研究或开发声明本专利技术在美国能源部授予的重大(合同)No. DE-AC02-05CH11231 的政府资助下完成。政府具有本专利技术的某些权利。专利技术背景专利
本专利技术总体属于固态电化学装置领域。本专利技术涉及在适用于这 样的装置的多孔结构表面上形成组合物的涂层。这样的组合物具有 以下方面的应用电化学系统例如燃料电池和氧发生器，用于烃转 化和许多其它反应的催化剂，用于金属、陶瓷或聚合物的保护涂层， 和其中需要电子传导和/或离子传导或绝缘层的应用。相关技术的描述固态电化学装置经常作为包含两个多孔电极、阳极和阴极以及 致密固体电解质和/或分隔电极的膜的电池应用。对于本申请的目的， 除非在所使用的上下文中明白或清楚的说明，术语"电解质"应理解为 包含用于电化学装置的固体氧化物膜，而不管在该装置操作期间是 否有施加或发生穿过它们的电势。在许多应用中，例如在燃料电池 和氧发生器、合成气发生器中，固体膜是电解质，由能够传导离子 类物质例如氧离子或氬离子的材料组成，但具有低的电导率。在其 它应用如气体分离装置中，固体膜由混合的离子电子传导材料 ("MIEC")组成。在每种情况下，电解质/膜必须是致密的和无针孔的(" 不漏气的")，以防止电化学反应物的混合。在所有的这些装置中，电 池的较低的总内阻改善了性能。用于常规的固态电化学装置应用的陶瓷材料可能制备昂贵、难于维持(由于它们的脆性)和具有内在的高电阻。通过在高温一般超过90(TC时操作装置可以减少电阻。然而，这样的高温操作对于装置维护和可用于摻入装置的材料，例如特别在氧电极的氧化环境中，具 有明显的缺陷。已熟知固态电化学电池的制备和操作。例如，典型的固体氧化物燃料电池(SOFC)由以下物质组成陶瓷氧离子导体的致密电解质 膜、陶瓷、金属或最通常是与电池的燃料侧电解质膜接触的陶磁金 属复合材料("金属陶瓷")的多孔阳极层，和在电池的氧化剂侧的混合 离子/电子传导(MIEC)金属氧化物多孔阴极层。通过燃料(一般为由重 整曱烷产生的氢)和氧化剂(一般为空气)之间的电化学反应产生电 流。该净电化学反应涉及电荷转移步骤，该步骤发生在离子传导电 解质膜、电子传导电极和蒸气相(燃料或氧气)之间的界面。电荷转移 步骤、质量转移(多孔电极中的气体扩散)和归因于电子流和离子流流 动的欧姆损失，对固体氧化物燃料电池装置的总内阻可具有显著的 贡献。该领域的以前工作中已可见这样的固态电化学装置的形成技术 的发展，其涉及例如复合电极或混合电极(在SOFC中一般为阴极)的 形成。混合阴极包含离子和电子传导组分。已发现在混合电极的形 成中，用电子传导组分的前体的悬浮液，渗透由离子传导组分形成 的多孔结构是有利的。然而，在一次渗透之后，常规渗透不产生电子传导组分的连接 网络，因此一般要求几次渗透和加热循环以形成连接的网络。先有 渗透技术也可能产生低纯度的电子传导组分。 一些常规烧结电极也 需要高温、良好匹配的热膨胀系数和化学相容性。常规电极的高烧 成温度(大于IOOO'C)导致较大的粒度、较低的表面积和因此较低的电 化学反应发生面积。高烧成温度也限制材料的选择。目前，大多数固体氧化物燃料电池(SOFC)使用8%摩尔的氧化钇 稳定化的氧化锆(YSZ)作为电解质、Ni-YSZ作为支持阳极，以及La!.xSrxMn03.s (LSM)-YSZ作为阴极。电池一般在800。C或800。C以上运 行，以获得高比功率密度。降低电池的工作温度会扩展材料的选择， 潜在地抑制SOFC组分的降解，和延长电池的使用寿命。然而，要 求采用较低的温度，以使欧姆损失最小化和增强氧还原反应催化。 已经广泛地探索了薄膜电解质和具有比YSZ高的氧化物-离子电导率 的备选电解质，有效地减小了电解质的欧姆损失。在低温时，因为用于氧还原的阴极的催化活性剧烈减少，典型 的复合LSM-YSZ阴极成为限制电池性能的主要因素。已经提出了各 种模型，以研究阴极的性能例如以有效电荷转移电阻表征的性能以 及它的结构和催化性质之间的关系。在一些结构假定和简化之后， Virkar等(C. Tanner, K. Fung禾口 A. Virkar,^/ec^oc/ze/w. Soc., 144, 21(1997))得出了有效电荷转移电阻R/f，可表示为 - 一V-W二"，其 中A,为内在的平均电荷转移电阻；为结构模型的周期性，可以采用电极孔间距，P为电极孔隙率；^"为电解质相的离子电导率。在 该模型中，假定催化剂在电极的YSZ网络的孔壁上形成薄的、均匀 的层，这不完全符合YSZ-LSM复合阴极的通常结构。此外，复合电极中YSZ的氧离子电导率 "受其它结构因素例如网络的连通性的 影响，该网络连通性在co-燃烧处理中又受LSM的存在影响。因此 最好的方法是首先形成良好连接的氧离子传导网络，然后可在通 常的co-燃烧温度以下用电催化剂充分渗透该网络。催化剂渗透是聚合物膜燃料电池电极的通常实践，最近已经引 入了 SOFC电极中。如果在co-燃烧所需的高温下烧结，因为消除了 热膨胀失配和抑制了电极材料间可能的有害反应，该方法扩展了可 行的电极材料组合的集合。材津斗例如LSM不仅为氧还原反应提供催 化部位，而且还具有高的电子电导率。当然，后者需要连续的LSM 结构，和需要预先多次的渗透，以在电极中注入足够的电催化剂，用于充分的电子传导(参见例如Y. Huang, J.M. Vohs, R.J. Gorte,丄 57ec似rac/^肌Soc, 151 (4), A646 (2004),美国专利5,543,239和美国 专利2005/0238796)。这样的多处理步骤已经阻碍了渗透方法的实际 应用。因此，需要用于形成固态电化学装置的混合电极的改进技术， 和产生的结构与装置。特别是，期望制备高质量LSM-YSZ复合阴极和其它复合结构的有效的一步渗透技术。这些技术也可适用于其它 方面，改善其它的装置和方法。专利技术概述本专利技术提供形成组合物(例如混合电极)的方法，该方法通过用前 体(例如电子传导材料的前体)溶液渗透多孔结构(例如离子传导材料 形成的多孔结构)，导致用 一次渗透就在多孔结构上和多孔结构内形 成微粒层。该方法涉及形成包含至少一种金属盐和表面活性剂的 溶液；加热该溶液以基本上蒸发溶剂，形成浓缩的盐和表面活性剂 溶液(例如至约70-13CTC);将浓缩溶液渗入多孔结构以产生组合物； 和加热该组合物以将盐和表面活性剂基本上分解成氧化物和/或金属 颗粒(例如至高于500°C,但低于IOO(TC,例如800°C)。结果为多孔 结构的孔壁上的微粒层。在优选的实施方案中，该微粒层为连续网 络。本专利技术消除了混合电极的许多有害元件，该混合电极由主要为 电子传导催化颗粒和离子传导颗粒的混合物组成。它允许较低的电极材料烧结温度，因此允许较大的可能的材料集合。此外，涂层的 精密标度(fine scale)允许使用具有不良匹配的热膨胀系数的材料。将 多孔的离子传导骨架(电子传导催化剂前体渗入其中的多孔电解质结 构)的燃烧步骤分离，也允许优化多孔离子网络的性质(例如在较高温 度下燃烧YSZ，导致改善的穿过多孔网络的离子电导率)。另外的优 点是需要很低的电子传导材料体积百分比(本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种在多孔结构的孔壁上形成微粒层的方法，所述方法包括： 形成包含至少一种金属盐和表面活性剂的溶液； 加热该溶液以基本上蒸发溶剂，形成浓缩的盐和表面活性剂溶液； 将该浓缩溶液渗入多孔结构以产生组合物；和 加热该组合物，将盐和表面活性剂基本上分解成氧化物和／或金属颗粒； 因此在所述多孔结构上形成氧化物和／或金属颗粒的微粒层。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：TZ肖尔克拉珀，CP雅各布森，SJ维斯科，LC德荣赫，
申请(专利权)人：加州大学评议会，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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