一种具有高活性和抗Cr毒化能力的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种具有高活性和抗Cr毒化能力的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法与应用。为了解决在质子导体固体氧化物燃料电池PCFCs服役环境下，不锈钢连接体材料产生的挥发性Cr引起的电池阴极性能快速衰减问题，通过采用浸渍法，成功在PrBa

【技术实现步骤摘要】
一种具有高活性和抗Cr毒化能力的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于高温燃料电池
，具体涉及一种具有高活性和抗Cr毒化能力的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池能够从各种燃料中高效发电，是一种有前途的技术，可以缓解日益增长的全球能源需求，其特点是能量转换效率高，排放低，燃料灵活性好。Ba基阴极材料，，如离子有序的双钙钛矿结构PrBa
0.8
Ca
0.2
Co2O
5+&
(PBCC)和PrBa
0.5
Sr
0.5
Co
1.5
Fe
0.5
O
5+&
(PBSCF)材料，在中低温(500
‑
700℃)，相较于单钙钛矿结构材料，其具有更容易的氧离子扩散，更快的表面氧交换和更高的离子电导率，已被作为质子导体固体氧化物燃料电池(Protonic Ceramic Fuel Cells,PCFCs)的阴极材料广泛研究。然而，当采用含Cr的连接体材料，如：SUS430和Crofer22APU，在高温，氧化性气氛及一定的湿度下，会产生高价态的挥发性物质(如：CrO3和CrO2[OH]2)，其通过气体扩散至整个阴极及三相界面，与阴极材料中偏析的Sr或Ba发生反应形成低导电性相的SrCrO4，BaCrO4和BaCr2O4沉积在阴极表面，导致阴极的氧化能力下降，造成阴极性能退化，进而引起电池的电化学性能衰减，该现象称之为阴极的Cr中毒现象。与氧离子导体固体氧化物燃料电池(O
‑
SOFC)不同，在PCFCs中水蒸汽在电池阴极侧产生，且其存在会加剧阴极中Sr或Ba的偏析，同时加剧挥发性Cr物种的生成和扩散，进而加速阴极的Cr中毒。
[0003]然而，目前较少的研究工作关注实际PCFCs运行工况下，当采用含Cr的互连件时，阴极的Cr中毒机理，考察其组成的单电池的电化学性能，抗Cr中毒能力及长期稳定性。因此，采用含Cr的互连件时，对于适用于PCFCs的(同时具备高ORR活性，高抗水和抗Cr中毒能力)长寿命阴极材料仍然亟待的研究。
[0004]Jin Li等人开发了一种La2NiO
4+δ
附着的PrBa
0.5
Sr
0.5
Co
1.5
Fe
0.5
O
5+δ
阴极材料，研究LNO
‑
PBSCF用在氧离子导体固体氧化物燃料电池中的抗Cr作用。在Jin Li等人的研究中，没有研究LNO
‑
PBSCF用于质子导体固体氧化物燃料电池的阴极时，在阴极通水，且采用含Cr的互连件时，电池的长期稳定性(J.Li,J.Li,D.Yan,J.Pu,B.Chi,L.Jian,Promoted Cr
‑
poisoning tolerance of La2NiO
4+δ
‑
coated PrBa
0.5
Sr
0.5
Co
1.5
Fe
0.5
O
5+δ
cathode for intermediate temperature solid oxide fuel cells,Electrochim.Acta,270(2018)294
‑
301.)。

技术实现思路

[0005]鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种具有高活性和抗Cr毒化能力的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法与应用。为了解决在质子导体固体氧化物燃料电池PCFCs服役环境下，不锈钢连接体材料产生的挥发性Cr引起的电池阴极性能衰减问题，通过采用浸渍法，成功在PrBa
0.5
Sr
0.5
Co
1.5
Fe
0.5
O
5+&
(PBSCF)阴极表面附着了大量的
Pr
x
Fe
0.7
Co
0.3
O3(PFC)纳米颗粒，使得PBSCF阴极的ORR(氧化还原反应)活性及抗Cr中毒能力大幅提高。该方法具有工艺简单、成本低、易于操作等特点。本专利技术对促进用于PCFCs的(同时具备高ORR活性，高抗水和抗Cr中毒能力)长寿命阴极材料的开发具有理论和实际意义。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0007]本专利技术提供一种具有高活性和抗Cr毒化能力的固体氧化物燃料电池阴极材料，所述具有高活性和抗Cr毒化能力的固体氧化物燃料电池阴极材料的组成为Pr
x
Fe
0.7
Co
0.3
O3(PFC)
‑
PrBa
0.5
Sr
0.5
Co
1.5
Fe
0.5
O
5+&
(PBSCF)，其中0.8≤x≤1,&表示氧空位含量。
[0008]进一步地，Pr
x
Fe
0.7
Co
0.3
O3纳米颗粒均匀的附着在PBSCF主相上。
[0009]进一步地，纳米颗粒相Pr
x
Fe
0.7
Co
0.3
O3的主要元素为：Pr元素、Co元素、Fe元素和O元素，PFC纳米颗粒的粒径为20nm。
[0010]进一步地，PBSCF主相的主要元素为：Pr元素、Ba元素、Sr元素、Co元素、Fe元素和O元素，PBSCF主相的粒径为100
‑
300nm。
[0011]本专利技术提供一种具有高活性和抗Cr毒化能力的固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1)将Pr(NO3)3·
6H2O，Ba(NO3)2，Sr(NO3)2，Co(NO3)2·
6H2O，Fe(NO3)3·
9H2O加入水中溶解并加热搅拌均匀；加入甘氨酸和一水合柠檬酸，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干，得到PBSCF阴极材料前驱体，再将PBSCF阴极材料前驱体焙烧，得到PBSCF阴极材料粉体；
[0013](2)将Pr(NO3)3·
6H2O、Co(NO3)2·
6H2O和Fe(NO3)3·
9H2O溶解在水中，得到Pr
x
Fe
0.7
Co
0.3
O3前体溶液，向Pr
x
Fe
0.7
Co
0.3
O3前体溶液中加入表面活性剂和络合剂，得到Pr
x
Fe
0.7...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高活性和抗Cr毒化能力的固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于，所述具有高活性和抗Cr毒化能力的固体氧化物燃料电池阴极材料的组成为Pr
x
Fe
0.7
Co
0.3
O3‑
PrBa
0.5
Sr
0.5
Co
1.5
Fe
0.5
O
5+&
，其中0.8≤x≤1，&表示氧空位含量，Pr
x
Fe
0.7
Co
0.3
O3记为PFC，PrBa
0.5
Sr
0.5
Co
1.5
Fe
0.5
O
5+&
记为PBSCF。2.权利要求1所述一种具有高活性和抗Cr毒化能力的固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将Pr(NO3)3·
6H2O，Ba(NO3)2，Sr(NO3)2，Co(NO3)2·
6H2O，Fe(NO3)3·
9H2O加入水中溶解并加热搅拌均匀；加入甘氨酸和一水合柠檬酸，在加热搅拌的条件下使水分挥发得到凝胶状物质；将凝胶状物质烘干，得到PBSCF阴极材料前驱体，再将PBSCF阴极材料前驱体焙烧，得到PBSCF阴极材料粉体；(2)将Pr(NO3)3·
6H2O、Co(NO3)2·
6H2O和Fe(NO3)3·
9H2O溶解在水中，得到Pr
x
Fe
0.7
Co
0.3
O3前体溶液，向Pr
x
Fe
0.7
Co
0.3
O3前体溶液中加入表面活性剂和络合剂，得到Pr
x
Fe
0.7
Co
0.3
O3催化剂溶液；(3)将Pr
x
Fe
0.7
Co
0.3
O3催化剂溶液浸渍在PBSCF阴极材料表面，煅烧，重复该步骤的浸渍和煅烧过程，得到Pr
x
Fe
0.7
Co
0.3
O3‑
PrBa
0.5
Sr
0.5
Co
1.5
Fe

【专利技术属性】
技术研发人员：陈宇，张华，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：