一种四相导体质子导体氧电极材料、制备方法及用途技术

本发明专利技术涉及一种新型四相导体质子导体氧电极材料制备和高温原位表征方法，更具体是涉及质子导体固体氧化物燃料电池阴极材料以及质子导体固体氧化物电解池氧电极材料的优化。对铁基钙钛矿SrTi

【技术实现步骤摘要】
一种四相导体质子导体氧电极材料、制备方法及用途


[0001]本专利技术涉及一种新型四相导体质子导体氧电极材料制备和高温原位表征方法，更具体是涉及质子导体固体氧化物燃料电池阴极材料以及质子导体固体氧化物电解池氧电极材料的优化。

技术介绍

[0002]由于对保护生态环境和获得清洁能源的迫切需求，固体氧化物燃料电池受到了全世界的关注，一方面，其运行时清洁无污染，并且具有极高的能量转换效率和多样的燃料选择性等优点，另一方面，其能够可逆操作成为固体氧化物电解池，可以通过电解水来获得氢气。传统的固体氧化物燃料电池/电解池由于极高的操作温度(800～1000℃)而严重地阻碍了其大规模工业化的发展。因此，为了提高燃料电池/电解池的稳定性，降低材料成本并促进燃料电池/电解池的大规模工业化应用，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/电解池的优点在于：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；对于质子导体固体氧化物燃料电池而言，水在阴极生成，不会稀释燃料气，增大了燃料的可循环利用性；对于质子导体固体氧化物电解池而言，氢电极能够产生干燥的纯氢气，不需要后续工艺来脱除水汽。因此，开发质子导体燃料电池(电解池)阴极(氧电极)材料是燃料电池研究的一个突破方向。
[0003]但是现有的质子导体氧电极材料仍然存在着氧还原能力、质子导电性、电子导电性的性能不高的问题。

技术实现思路
r/>[0004]本专利技术提供一种高性能的可同时作为质子导体固体氧化物燃料电池阴极和质子导体固体氧化物电解池氧电极的材料Na
0.3
Sr
0.7
Ti
0.1
Fe
0.9
O3‑
δ
(NSTF0.3)及其制备方法和应用。
[0005]本专利技术还提供了一种可以测试固体氧化物材料的H3O
+
的扩散的方法，本方法利用了Nafion膜的电子绝缘特性，隔绝氧化物层两侧的电子传输，实现H3O
+
的层间传输，并对结果进行评估。
[0006]本专利技术还提供了一种质子导体固体氧化物燃料电池阴极材料在工作过程中水汽是否进入体相的检测方法，本方法目标材料为阴极，Ag为阳极，通过定向电流输出与输入，实现阴极电子流出与阳极电子流出，与实际工作状态电子传输状态相同，实现阴极反应的复制。通过同步辐射测试，观测电极反应发生时材料的电子结构变化以及金属价态变化，最终实现对水汽亲和性情况的检测。
[0007]一种氧化物材料，其分子结构式是：Na
x
Sr1‑
x
Ti
0.1
Fe
0.9
O3‑
δ
，x＝0.05<x<0.5，δ表示氧空位含量，并且氧化物中主相是钙钛矿相，还包含有附加相β
‑
NaFeO2(NF)。
[0008]0≤δ≤1。
[0009]所述的氧化物材料的制备方法，是通过溶胶凝胶法制备得到。
[0010]所述的溶胶凝胶法的制备过程包括：将钛酸四丁酯和一水合柠檬酸加入去离子水中加热溶解，在将两者与硝酸钠，硝酸铁一起混合，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，得到氧化物材料。
[0011]乙二胺四乙酸和柠檬酸与金属离子(钠，锶，钛和铁)的总摩尔比是2:0.5
‑
1.5:0.5
‑
1.5。
[0012]焙烧参数是950
‑
1050℃焙烧1
‑
10h。
[0013]上述的氧化物材料在固体氧化物燃料电池和/或固体氧化物电解池中的应用。
[0014]在固体氧化物燃料电池中，电解质采用的是BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0.1
Yb
0.1
O3。
[0015]在固体氧化物电解池中，氢电极材料采用NiO和BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0.1
Yb
0.1
O3(BZCYYb)构成的复合电极，复合氢电极中NiO和BZCYYb的质量比为(3
‑
5):(5
‑
7)。
[0016]一种表征氧电极材料的H3O
+
传输性的方法，包括如下步骤：
[0017]步骤1，在Nafion膜的一侧喷涂氧电极材料，再在氧电极材料的一侧热压Nafion膜；分别再在Nafion膜的外侧喷涂Pt/C电极，形成Pt/C|Nafion|阴极材料|Nafion|Pt/C结构；在结构的两侧分别装配碳纸形成质子交换膜燃料电池；
[0018]步骤2，在质子交换膜燃料电池的两侧分别通氢气和空气进行单电池测试，在开路电压下阻抗测试，并通过阻抗计算H3O
+
导电率。
[0019]氧电极材料负载量为0.025gcm
‑2，Pt/C催化剂中Pt负载量为0.1mgcm
‑2。
[0020]质子交换膜燃料电池的测试温度为60
‑
80℃，阴阳极两侧同时加入1
‑
5vol.％水汽。
[0021]喷涂Pt/C电极时，浆料中Pt/C与溶剂质量比是0.1
‑
5：100，所述的溶剂是醇类溶剂。
[0022]喷涂氧电极材料时，浆料中氧电极材料和溶剂的配比是0.5g氧电极材料：5
‑
20mL溶剂；所述的溶剂是醇类溶剂。
[0023]一种质子导体固体氧化物燃料电池阴极材料在工作状态下的质子吸收能力的检测方法，包括如下步骤：
[0024]步骤1，在电解质的一侧喷涂氧电极材料，煅烧处理后，再在电解质的另一侧涂银；
[0025]步骤2，将电解质的两侧连接闭合回路，并分别在低温和高温条件下施加电流，同时在荧光模式下测定Fe元素的K
‑
edge特性；
[0026]步骤3，再在带水汽的环境下重复步骤2的测试；
[0027]若带水汽条件下Fe的价态回升，则判定水汽能够进入材料体相。
[0028]所述的步骤1中，喷涂氧电极材料的步骤是：制备含有氧电极粉体的浆料后，喷涂于电解质一侧；所述的氧电极粉体在浆料中的浓度5
‑
20wt％。
[0029]所述的浆料中采用醇类溶剂、醚类溶剂、苯类溶剂或者酯类溶剂。
[0030]所述的步骤1中，煅烧条件是800
‑
1200℃条件下1
‑
5h；电解质是BZCYYb。
[0031]所述的步骤2中，低温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化物材料，其特征在于，其分子结构式是：Na
x
Sr1‑
x
Ti
0.1
Fe
0.9
O3‑
δ
，x＝0.05<x<0.5，δ表示氧空位含量，并且氧化物中主相是钙钛矿相，还包含有附加相β
‑
NaFeO2(NF)。2.根据权利要求1所述的氧化物材料，其特征在于，0≤δ≤1。3.权利要求1所述的氧化物材料的制备方法，其特征在于，是通过溶胶凝胶法制备得到。4.根据权利要求1所述的氧化物材料的制备方法，其特征在于，所述的溶胶凝胶法的制备过程包括：将钛酸四丁酯和一水合柠檬酸加入去离子水中加热溶解，在将两者与硝酸钠，硝酸铁一起混合，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，得到氧化物材料。5.根据权利要求1所述的氧化物材料的制备方法，其特征在于，乙二胺四乙酸和柠檬酸与金属离子(钠，锶，钛和铁)的总摩尔比是2:0.5
‑
1.5:0.5
‑
1.5。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：周川，刘栋良，周嵬，费美娟，徐玫瑰，邵宗平，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：