一种基于静电纺纳米纤维的固体氧化物燃料电池阴极膜及其原位制备方法技术

本发明专利技术属于无机氧化物纳米纤维技术领域，具体涉及一种基于静电纺纳米纤维的固体氧化物燃料电池阴极膜及其原位制备方法。本发明专利技术将含镧源和镍源的纺丝液利用静电纺丝技术直接在电解质表面沉积镧镍氧前驱体纳米纤维膜，后一并烧结，在电解质表面得到La2NiO

【技术实现步骤摘要】
一种基于静电纺纳米纤维的固体氧化物燃料电池阴极膜及其原位制备方法


[0001]本专利技术属于无机氧化物纳米纤维
，具体涉及一种基于静电纺纳米纤维的固体氧化物燃料电池阴极膜及其原位制备方法。

技术介绍

[0002]中低温固体燃料电池是在1000℃以下启动和运作的一类电池，其阴极、阳极和电解质均为无机氧化物材料，可以直接将燃料的化学能转化为电能，转化效率高，能量损失小，是目前电池领域的一个研究热点。其中，燃料电池阴极膜的微观结构(比表面、孔隙率和连通性等)影响着氧气还原反应界面，气体扩散以及离子电导率和电子电导率等，进而影响界面阻抗。研究表明，纳米颗粒阴极膜具有比微米颗粒阴极膜更大的比表面积，有利于氧气的还原反应，但纳米颗粒堆积较密集，孔隙率不足，阻碍了氧气的扩散。而纳米线、纳米纤维等一维纳米材料作为阴极膜则使得阴极膜具有较高的比表面，且孔隙率和连通性均比纳米颗粒阴极膜好。所以，越来越多的研究者开始研究基于纳米纤维的阴极膜。
[0003]关于无机纳米纤维阴极膜的制备，大部分研究均采用静电纺丝和印刷相结合的方式，将静电纺丝技术得到的纳米纤维制作成粉体浆料，印刷在电解质表面。这种方式得到的阴极膜只能得到长径比较低的纳米短纤，破坏了纤维整体网络结构，一定程度降低了离子电导率和电子电导率。为了避免纳米纤维网络结构破损，有研究者将静电纺得到的无机纳米纤维膜利用含有无机盐的浆料粘接在电解质片表面进行烧结，得到的阴极膜可以保持三维网络结构，但是无机纳米纤维脆性很高，容易发生断裂，使得这种操作方式成效较低。所以，需要研发一种可得到完整的三维网络结构的阴极膜的可行高效的制备方法。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于静电纺纳米纤维的固体氧化物燃料电池阴极膜的原位制备方法，直接在电解质表面生成镧镍氧前驱体纳米纤维膜，并原位生成纳米颗粒加固纤维膜，该方法可得到完整的三维网络结构的阴极膜且成效高。
[0005]为实现上述目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：
[0006]本专利技术提供了一种基于静电纺纳米纤维的固体氧化物燃料电池阴极膜的原位制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]S1、配制质量百分比浓度为2～30％的纤维基体溶液，再将镍源和镧源的混合物以(2～5)g/10ml的比例加入到所述纤维基体溶液中，然后往所得混合溶液中加入静电纺助剂制得纺丝液；
[0008]S2、利用步骤1的纺丝液通过静电纺丝技术在电解质表面沉积得到La2NiO
4+δ
前驱体纳米纤维膜，然后通过高温烧结去除纤维基体，在电解质表面原位生成La2NiO
4+δ
纳米纤维膜；
[0009]S3、先将步骤1的纤维基体溶液稀释成质量百分比浓度为0.5～10％的稀溶液，再将镍源和镧源的混合物以(0.5～1)g/10ml的比例加入到所述纤维基体溶液中，然后将含镧源和镍源的稀溶液浇筑到La2NiO
4+δ
纳米纤维膜表面，再次烧结去除纤维基体，在纳米纤维膜
‑
电解质间界面层原位生成La2NiO
4+δ
纳米颗粒，利用La2NiO
4+δ
纳米颗粒焊接La2NiO
4+δ
纳米纤维膜，即得到固体氧化物燃料电池阴极膜。
[0010]优选地，步骤1中，所述纤维基体溶液的溶剂为水，所述纤维基体为淀粉、阿拉伯胶、藻蛋白酸钠、骨粉、明胶、干酪素，淀粉衍生物、羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素，以及聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚马来酸酐、聚季胺盐、聚乙二醇、聚环氧乙烯中的任一种或多种。
[0011]优选地，步骤1和步骤3中，所述镧源和镍源的摩尔比为1:1，所述镧源选自乙酸镧、硝酸镧、氯化镧和磷酸镧中的任一种或多种，所述镍源选自乙酸镍、硝酸镍、硫酸镍、氯化镍中的任一种或多种。
[0012]优选地，步骤1中，所述静电纺助剂为无水乙醇，所述静电纺助剂与混合溶液的体积比为为(5:95)～(50:50)。
[0013]优选地，步骤2中，所述静电纺丝的工艺参数如下：电压为10～40kV，纺丝距离为10～30cm，纺丝液流速为1.5～10μL/min，环境湿度为≤80wt％。
[0014]优选地，步骤2和3中，所述烧结为在空气气氛下，以1～3℃/min的升温速度升温至900～1000℃保温0～2h，或者先以2～3℃/min的升温速度升温至200～400℃保温0.5～3h，再以3～10℃/min的升温速度升温至900～1000℃保温1～2h。
[0015]优选地，步骤3中，所述浇筑为将所述稀溶液以2g/cm2的量浇筑在纳米纤维层表面。
[0016]本专利技术还提供用上述方法所制备的基于静电纺纳米纤维的固体氧化物燃料电池阴极膜，该阴极膜应用于制备中低温固体燃料电池。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0018]本专利技术提供了一种基于静电纺纳米纤维的固体氧化物燃料电池阴极膜的原位制备方法，首先配置含镧源和镍源的纺丝液，经静电纺丝和烧结后在电解质表面原位生成La2NiO
4+δ
纳米纤维膜；将含镧源和镍源的稀溶液浇筑浇筑到La2NiO
4+δ
纳米纤维膜表面，纳米纤维膜
‑
电解质间界面层原位生成La2NiO
4+δ
纳米颗粒，利用纳米颗粒焊接La2NiO
4+δ
纳米纤维膜。
[0019]本专利技术使用水作为纺丝液溶剂，替代了有机溶剂的使用，有利于工业化环保生产；使用易挥发、电导率低的乙醇作为纺丝助剂，提高水溶液的挥发性，降低对纺丝环境湿度的要求，同时降低无机盐水溶液过高的电导率，大幅度改善了无机盐水溶液的静电纺丝性能。本专利技术制备的阴极膜为电解质表面原位合成，可以得到完整的三维网络结构，在保证氧气可以快速扩散的同时，不影响离子导电和电子导电；本专利技术通过在纳米纤维膜表面浇筑浓度较低的盐溶液并再次烧结，可以在纳米纤维膜
‑
电解质间界面层原位生成纳米颗粒，形成复合纳米结构，增加纤维膜与电解质基片的接触点，提高纳米纤维层与电解质的结合力，避免纤维膜脱落。
附图说明
[0020]图1为实施例1的La2NiO4纳米纤维的X射线衍射图谱；
[0021]图2为实施例1的La2NiO4纳米纤维膜烧结前后图片：(a)烧结前照片；(b)烧结后照片；(c)烧结前纤维膜表面SEM图；(d)烧结后纤维膜表面SEM图；(e)烧结后纤维膜截面SEM图；
[0022]图3为实施例1的La2NiO4纳米纤维膜/Sm
0.2
Ce
0.8
O
1.9
半电池在不同温度(650℃、700℃、750℃、800℃)下测试得到的电化学阻抗谱。
[0023]图4为实施例1的La2NiO4纳米纤维膜/Sm
0.2
Ce
0.8
O...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于静电纺纳米纤维的固体氧化物燃料电池阴极膜的原位制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、配制质量百分比浓度为2～30％的纤维基体溶液，再将镍源和镧源的混合物以(2～5)g/10ml的比例加入到所述纤维基体溶液中，然后往所得混合溶液中加入静电纺助剂制得纺丝液；S2、利用步骤1的纺丝液通过静电纺丝技术在电解质表面沉积得到La2NiO
4+δ
前驱体纳米纤维膜，然后通过高温烧结去除纤维基体，在电解质表面原位生成La2NiO
4+δ
纳米纤维膜；S3、先将步骤1的纤维基体溶液稀释成质量百分比浓度为0.5～10％的稀溶液，再将镍源和镧源的混合物以(0.5～1)g/10ml的比例加入到所述纤维基体溶液中，然后将含镧源和镍源的稀溶液浇筑到La2NiO
4+δ
纳米纤维膜表面，再次烧结去除纤维基体，在纳米纤维膜
‑
电解质间界面层原位生成La2NiO
4+δ
纳米颗粒，利用La2NiO
4+δ
纳米颗粒焊接La2NiO
4+δ
纳米纤维膜，即得到固体氧化物燃料电池阴极膜。2.根据权利要求1所述的基于静电纺纳米纤维的固体氧化物燃料电池阴极膜的原位制备方法，其特征在于，步骤1中，所述纤维基体溶液的溶剂为水，所述纤维基体为淀粉、阿拉伯胶、藻蛋白酸钠、骨粉、明胶、干酪素，淀粉衍生物、羧甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素，以及聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚马来酸酐、聚季胺盐、聚乙二醇、聚环氧乙烯中的任一种或多种...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗杰，赵凯，马佑烨，陈旻，陈东初，刘翠茵，林桂香，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：