Ba掺杂一步法制备原位析出纳米颗粒的RP相氧化物及其应用制造技术

本发明专利技术是一种Ba掺杂一步法制备原位析出纳米颗粒的RP相氧化物及其应用，氧化物结构为Pr

【技术实现步骤摘要】
Ba掺杂一步法制备原位析出纳米颗粒的RP相氧化物及其应用

：
[0001]本专利技术属于固体氧化物燃料电池阴极材料制备
，具体涉及一种Ba掺杂Ruddlesden
‑
Popper(RP)相材料的制备方法。

技术介绍

[0002]燃料电池被称为21世纪最有前途的“绿色能源”，其中固体氧化物燃料电池(SOFC)具有可以使用含碳气体作为燃料，催化剂不需要贵金属等优点，引起了科研和工业界的广泛关注。SOFC的阴极发生的是氧还原反应，该反应动力学迟缓，过电势比阳极更高，所以阴极材料性能的好坏对电池的活性和稳定性起重要作用。因此不断改进阴极材料性能是目前科研人员的研究重点之一。影响固体氧化物燃料电池的大规模商业化的重要原因是成本高，可以通过开发无钴阴极降低催化剂成本，同时降低电池运行温度，降低电池密封难度以及电解质和催化剂热膨胀不匹配等问题，提高SOFC的使用寿命和成本。
[0003]传统的SOFC阴极材料为ABO3型钙钛矿氧化物，该材料具有独特的物理和化学性质，如可变的晶体结构和非化学计量数特性。自1970年第一次合成出钙钛矿材料到现在，人们对该材料的研究取得了很多成果。20多年前RP相A2BO4‑
δ
(δ为氧的非化学计量数)氧化物的出现为阴极材料的选择提供了更多的可能性。RP相氧化物结构本身具有间隙氧，相比于钙钛矿材料传导氧离子更具优势，在传统的RP相材料La2NiO4‑
δ
、Sr2NiO4‑
δ
和Pr2NiO4‑
δ
中，Pr2NiO4‑
δ
作为SOFC的阴极材料表现出最佳的电池性能，但是电池性能和材料的导电性相比于传统的钙钛矿材料差一些，可以通过元素掺杂，结构调控提升材料的活性。有许多研究表明，表面原位析出纳米颗粒能够增加活性面积，同时在材料内部产生更多氧空位缺陷，相比于浸渍法表面原位析出的纳米颗粒稳定性更高，不易团聚，因此成为近几年的研究热点。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种全新的固体氧化物燃料电池阴极材料以解决上述问题，本专利技术同时提出了该材料的制备方法。
[0005]本专利技术提供了一种基于Ba掺杂的RP相氧化物Pr
1.6
Ba
x
Sr
0.2
Ni
0.7
Cu
0.3
O4‑
δ
同时表面原位析出PrBaO3(PBSNC
‑
PBO)纳米颗粒的高活性SOFC阴极材料及其制备方法。该方法通过溶胶凝胶法合成RP相PBSNC
‑
PBO。本专利技术方法成本低廉，操作简单，所得材料在SOFC阴极应用中表现出优异的氧还原活性，且稳定性良好。
[0006]SOFC的阴极材料性能受氧活性，导电性和材料稳定性影响。通过调控A位元素掺杂量，进而对材料形貌进行调控，形成特殊的形貌进而提高材料的活性面积，材料内部同时也会形成氧空位缺陷，影响材料不同元素间的电子效应进而改进材料活性。RP相氧化物材料本身具有间隙氧，氧空位浓度高，但是普遍导电性差。通过表面原位析出纳米氧化物颗粒不仅能够提高材料的活性面积，也能提高材料的导电性，同时增加氧空位浓度，从而提高材料催化活性。
[0007]本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种Ba掺杂一步法制备原位析出纳米颗粒的RP相氧化物，其氧化物结构为Pr
1.6
Ba
x
Sr
0.2
Ni
0.7
Cu
0.3
O4‑
δ
，0.2≤x≤0.4；δ为氧的非化学计量数。
[0009]本专利技术的Ba掺杂一步法制备原位析出纳米颗粒的RP相氧化物的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)按照材料Pr
1.6
Ba
x
Sr
0.2
Ni
0.7
Cu
0.3
O4‑
δ
中Pr、Ba、Sr、Ni、Cu的化学计量比，将硝酸镨、硝酸钡、硝酸锶、硝酸镍、硝酸铜溶解于去离子水中，加热搅拌形成澄清的溶液，0.2≤x≤0.4；
[0011](2)随后加入络合剂柠檬酸；
[0012](3)加入溶解于氨水中的乙二胺四乙酸的溶液；
[0013](4)调节pH至7.1
‑
7.6，获得前驱体溶液；
[0014](5)将前驱体溶液加热至85
‑
90℃，搅拌蒸发得到凝胶；
[0015](6)所得凝胶在350
‑
400℃进行预烧去除有机物，得到阴极材料的前驱体；
[0016](7)所得前驱体在1100
‑
1200℃下进行煅烧成相。
[0017]所述的步骤(2)柠檬酸与总金属离子的摩尔比为1.5:1。
[0018]所述步骤(3)乙二胺四乙酸与总金属离子的摩尔比为1:1。
[0019]所述的步骤(4)加入氨水将溶液pH值调至7.1
‑
7.6。
[0020]所述的步骤(7)前驱体煅烧时间为3h。
[0021]本专利技术的Ba掺杂一步法制备原位析出纳米颗粒的RP相氧化物应用到固体氧化物燃料电池电极材料中。
[0022]本专利技术首次利用简单的一步溶胶凝胶法，合成一种表面析出PrBaO3钙钛矿纳米颗粒的Ruddlesden
‑
Popper相材料Pr
1.6
Ba
0.2
Sr
0.2
Ni
0.7
Cu
0.3
O4‑
δ
。在合成过程中不需要高温还原等过程，缩短了制备时间，提高了安全性，降低了成本。表面原位析出的PrBaO3钙纳米颗粒提高了活性表面积，同时产生很多的氧缺陷，具有很高的氧还原活性，并且具有很高的结合水的能力，加速了质子与氧离子的结合过程。通过构造对称电池，在氧气气氛中对该电极进行电化学阻抗谱测试，在700和650℃的极化阻抗分别为0.08和0.16Ωcm2，催化活性优异，适用于质子传导型的固体氧化物燃料电池阴极。以其为阴极的单电池在700℃时的最大功率密度达到601mW cm
‑2。与传统的Ruddlesden
‑
Popper阴极材料相比，表面氧交换活性、质子扩散速度及单电池性能均有明显提升。测试结果表明，该方法制备的PBSNC
‑
PBO是一种新型的固体氧化物燃料电池阴极材料，具有良好的发展前景。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0024]图1：为本专利技术实施例2和4制备的材料的X射线衍射能谱，其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Ba掺杂一步法制备原位析出纳米颗粒的RP相氧化物，其特征在于：材料结构为Pr
1.6
Ba
x
Sr
0.2
Ni
0.7
Cu
0.3
O4‑
δ
，0.2≤x≤0.4；δ为氧的非化学计量数。2.权利要求1的Ba掺杂一步法制备原位析出纳米颗粒的RP相氧化物的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)按照材料Pr
1.6
Ba
x
Sr
0.2
Ni
0.7
Cu
0.3
O4‑
δ
中Pr、Ba、Sr、Ni、Cu的化学计量比，将硝酸镨、硝酸钡、硝酸锶、硝酸镍、硝酸铜溶解于去离子水中，加热搅拌形成澄清的溶液，0.2≤x≤0.4；(2)随后加入络合剂柠檬酸；(3)加...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宜成，张剑，李永丹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：