一种质子陶瓷燃料电池阴极材料及其制法与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种质子陶瓷燃料电池阴极材料，化学式为Ba

【技术实现步骤摘要】
一种质子陶瓷燃料电池阴极材料及其制法与应用


[0001]本专利技术属于阴极材料及其制法与应用，具体为一种质子陶瓷燃料电池阴极材料及其制法与应用。

技术介绍

[0002]质子陶瓷燃料电池是一种全固态电化学能量转换装置，具有燃料多样、能量转换效率优异、环境友好、组件全固态等特点。同时质子陶瓷燃料电池的产物水在空气电极产生，避免了对燃料电极中燃料的稀释，可有效提升燃料利用率，具有更高的能斯特电位。但过去由于较高的操作温度(700～1000℃)造成的电池堆连接体、密封和界面材料成本高以及电极、电解质等电极部件之间化学相容性差等一系列问题，阻碍了该技术商业化进程。
[0003]目前，降低操作温度成为质子陶瓷燃料电池的发展方向。但随着操作温度的降低，电池的极化阻抗急速增大，其中阴极极化阻抗占据重要影响，导致质子陶瓷燃料电池低温下电池性能降低，因此开发适用于低温操作条件下的阴极材料成为质子陶瓷燃料电池领域中至关重要的研究目标之一。Shao和Haile开发的BSCF阴极在氧离子传导型固体氧化物燃料电池上具有卓越的性能，该材料的面积比电阻也明显低于类似操作条件下的其他钙钛矿型阴极材料(Shao，Z.，Haile，S.A high
‑
performance cathode for the next generation of solid
‑
oxide fuel cells.Nature，2004，431，170
‑
173)，然而当BSCF作为质子陶瓷燃料电池阴极时，其极化电阻显著增大(Taillades G，Pers P，Batocchi P，et al.Advanced electrodes for intermediate temperature proton conducting fuel cell[J].Ecs Transactions，2013，57(1)，1289)。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术目的是提供一种能够显著减小阴极阻抗、提高低温下电化学性能的质子陶瓷燃料电池阴极材料，本专利技术的另一目的是提供一种简单方便的质子陶瓷燃料电池阴极材料的制备方法，本专利技术的再一目的是提供一种质子陶瓷燃料电池阴极材料在提高质子陶瓷燃料电池阻抗中的应用。
[0005]技术方案：本专利技术的所述的一种质子陶瓷燃料电池阴极材料，化学式为Ba
0.6
Sr
0.4
Co
0.8
‑
x
Nb
x
Fe
0.2
O3‑
y
‑
δ
F
y
，其中，x为Nb的掺杂量，0＜x＜0.2，y为F的掺杂量，0＜y≤0.15，δ为氧空位含量，0＜δ＜1。
[0006]优选地，化学式为Ba
0.6
Sr
0.4
Co
0.7
Nb
0.1
Fe
0.2
O
2.9
‑
δ
F
0.1
，F离子和Nb共掺杂可以显著的减小阴极材料的阻抗，提高电化学性能。
[0007]上述质子陶瓷燃料电池阴极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008](a)按照化学计量比，分别称取BaCO3、SrCO3、Co3O4、Fe2O3、Nb2O5、SrF2粉体原料，球磨混合均匀，烘干；
[0009](b)将步骤(a)烘干后的粉体研磨，过筛，压制成片，在800～900℃煅烧，得到圆片；
[0010](c)将圆片研磨成细碎粉末后过筛，再次压制成片，在1100～1150℃煅烧，再将圆
片研磨成细碎粉末后过筛，得到Ba
0.6
Sr
0.4
Co
0.8
‑
x
Nb
x
Fe
0.2
O3‑
y
‑
δ
F
y
粉末。
[0011]进一步地，步骤(a)中，球磨的料球比为1∶3～4，球磨转速为250～300r/min，球磨时间为20～24h。烘干的温度为80～100℃。
[0012]进一步地，步骤(b)中，过筛目数为100～120目，压制成片的压力为150～200Mpa。以9～12℃/min的升温速率升温至800～900℃，保温8～10h。
[0013]进一步地，步骤(c)中，过筛目数为100～120目，压制成片的压力为150～200Mpa。先以9～12℃/min的升温速率升温至800～900℃，再以4～6℃/min的升温速率升温至1100～1150℃，保温8～10h。步骤(b)、(c)的烧结制服能够使成相更具结晶度，测试得到的XRD图更尖锐，避免杂相的产生。
[0014]上述质子陶瓷燃料电池阴极材料在提高质子陶瓷燃料电池阻抗中的应用，以Ba
0.6
Sr
0.4
Co
0.8
‑
x
Nb
x
Fe
0.2
O3‑
y
‑
δ
F
y
为阴极，以BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0.1
Yb
0.1
O3‑
δ
为电解质。
[0015]制备原理：本专利技术使用F离子和Nb离子共掺杂BSCF材料来获取高催化活性和结构稳定性的质子陶瓷燃料电池阴极材料。F离子和Nb部分取代BSCF材料中的O离子和Co可以提可以显著的增强催化活性。F离子和Nb离子取代O和Co后产生电荷补偿效应，可以促使B位部分阳离子的价态降低从而提高氧空穴浓度。此外，由于F离子较O离子具有更高的电负性(F：4.0，O：3.44)，调节了BSCF材料体系中的电子云分布，削弱材料中B位金属与O的键强，降低了材料中氧空位形成所需的能量。同时，F离子的掺杂改变了材料的阴离子亚晶格，使材料中B位金属氧化物晶体的顶点出现断键，晶体结构从而变得松弛，提高了氧离子的迁移率。另外，由于F离子的半径小于氧离子，可能会导致结构不稳定，但随着Nb离子掺杂Co离子后可以显著地提高化学稳定性，很好的弥补了这一方面的缺点。BSCNF
‑
F0.1材料具有高氧离子电导率和催化活性，且具备稳定的结构，是非常有应用前景的质子陶瓷燃料电池阴极材料。
[0016]有益效果：本专利技术和现有技术相比，具有如下显著性特点：
[0017]1、采用F离子和Nb离子共掺杂能够提高质子陶瓷燃料电池阴极的电化学性能，减小阴极材料的阻抗；
[0018]2、在空气氛围中对BSCF和BSCNF
‑
F
0.1
进行电化学阻抗测试，测试结果显示在600℃时，在经过F离子和Nb离子共掺杂后，阴极材料的阻抗由0.356Ωcm2减小到0.2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种质子陶瓷燃料电池阴极材料，其特征在于：化学式为Ba
0.6
Sr
0.4
Co
0.8
‑
x
Nb
x
Fe
0.2
O3‑
y
‑
δ
F
y
，其中，x为Nb的掺杂量，0＜x＜0.2，y为F的掺杂量，0＜y＜0.15，δ为氧空位含量，0＜δ＜1。2.根据权利要求1所述的一种质子陶瓷燃料电池阴极材料，其特征在于：化学式为Ba
0.6
Sr
0.4
Co
0.7
Nb
0.1
Fe
0.2
O
2.9
‑
δ
F
0.1
。3.根据权利要求1～2任一所述的一种质子陶瓷燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(a)按照化学计量比，分别称取BaCO3、SrCO3、Co3O4、Fe2O3、Nb2O5、SrF2粉体原料，球磨混合均匀，烘干；(b)将步骤(a)烘干后的粉体研磨，过筛，压制成片，在800～900℃煅烧，得到圆片；(c)将圆片研磨成细碎粉末后过筛，再次压制成片，在1100～1150℃煅烧，再将圆片研磨成细碎粉末后过筛，得到Ba
0.6
Sr
0.4
Co
0.8
‑
x
Nb
x
Fe
0.2
O3‑
y
‑
δ
F
y
粉末。4.根据权利要求3所述的一种质子陶瓷...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇佳，姜姗姗，刘洋，黄芪，苏超，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：