镍基固体氧化物电解池阴极催化剂、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种镍基固体氧化物电解池阴极催化剂、制备方法及其应用，涉及固体氧化物电解池技术领域，该阴极催化剂采用纳米钙钛矿结构材料包裹在氧化镍催化剂表面制得；纳米钙钛矿结构材料为[La

【技术实现步骤摘要】
镍基固体氧化物电解池阴极催化剂、制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及固体氧化物电解池
，尤其涉及一种镍基固体氧化物电解池阴极催化剂、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]传统化石能源的消耗都与CO2排放相关，这使得气候环境变化问题成为当今社会发展所面临的重要问题。固体氧化物电解池(SOEC)是一种在中高温下以高效环保的方式将电能和热能转化成燃料化学能的电化学装置。固体氧化物电解池为全固态结构，气体产物容易分离，避免了使用液态电解质所带来的蒸发、腐蚀和电解液流失等问题，同时具有较快的电极反应速率，无需采用Pt等贵金属电极，进而大大降低成本，被认为是目前将水蒸气和/或二氧化碳转化为燃料的最可行、最具有前景的技术路径之一。
[0003]固体氧化物电解池技术可以通过电解水制H2，共电解水和CO2制合成气，近年来引起了人们的广泛关注。SOEC高的操作温度能够降低电解过程的电能需求，从而降低制氢和合成气成本，同时提高了电极的动力学性能和降低了SOEC电解质电阻，从而使电解池性能损失更小。如果电站或其他工业过程的废热能够用来维持电解池运行，SOEC相比于低温电解池在制氢和合成气方面就会表现出更高的效率。高的工作温度可以加快电极反应速率，使电极极化电压显著减低，有效的降低电解过程中的不可逆能量损失，同时电解所需的能量以及电解电压随着温度的升高而降低，能进一步降低电能的损耗。
[0004]在固体氧化物电解池中，传统的燃料电极(阴极)通常采用镍基多孔复合电极，但其在高温H2O或CO2电解以及共电解水和CO2中的应用仍然存在一些尚未解决的问题：如氧还原稳定性较差，需要一定浓度的还原气体防止电极的Ni氧化成NiO，高温下Ni颗粒团聚、高温挥发、易受多种杂质元素影响等，导致电解活性不高，电解池性能下降，特别是，电解二氧化碳或共电解时还存在严重的积碳等问题。
[0005]因而，开发新型高活性高稳定性的燃料电极材料是推进固体氧化物电解池商业化进程的重要途径之一。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术公开了一种镍基固体氧化物电解池阴极催化剂及其应用，纳米钙钛矿结构材料选用[La
x
Sr
(1
‑
x)
]y
Ti
(1
‑
z
‑
a)
M
z
N
a
O3±
δ
，将其包裹在氧化镍催化剂表面上，得到高活性镍基固体氧化物电解池阴极催化剂；采用此阴极催化剂制成固体氧化物电解池后，在电解H2O和/或CO2时，固体氧化物电解池具有电解性能高、抗积碳、稳定性好等特点。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0008]一种镍基固体氧化物电解池阴极催化剂，该阴极催化剂是将纳米钙钛矿结构材料包裹于氧化镍催化剂的表面上制得的，阴极催化剂中纳米钙钛矿结构材料的质量百分含量为1％
‑
40％；
[0009]所述纳米钙钛矿结构材料为[La
x
Sr
(1
‑
x)
]y
Ti
(1
‑
z
‑
a)
M
z
N
a
O3±
δ
，其中，M选自Ni、Fe和Co中的一种或多种，N选自Cu和Zn中的一种或两种，δ表示因掺杂产生的氧非化学计量值，0≤x≤0.8，0.7≤y≤1.1，0＜z≤0.4，0＜a≤0.4，纳米钙钛矿结构材料在还原气氛下，表面可形成复合金属纳米粒子活性中心，此纳米粒子活性中心具有高催化活性、高稳定性以及抗积碳性能好的特点。
[0010]进一步地，所述纳米钙钛矿结构材料的粒径为1纳米
‑
200纳米，该纳米钙钛矿结构材料可采用传统的溶胶凝胶法、甘氨酸法、共沉淀法或固相反应法制得。
[0011]本专利技术还公开了一种镍基固体氧化物电解池阴极催化剂的制备方法，该阴极催化剂的制备过程为：
[0012]先将纳米钙钛矿结构材料配制成高分散溶液，然后再将该高分散溶液直接浸渍到氧化镍催化剂的表面，焙烧，得到镍基固体氧化物电解池阴极催化剂；
[0013]或者，先按钙钛矿结构材料化学计量比配制成盐溶液，然后再将该盐溶液直接浸渍到氧化镍催化剂的表面，焙烧，得到镍基固体氧化物电解池阴极催化剂。
[0014]进一步地，所述高分散溶液中，纳米钙钛矿结构材料质量百分比0.2％
‑
20％。
[0015]进一步地，在按钙钛矿结构材料化学计量比配制成盐溶液中，盐溶液的总质量百分比浓度为0.1％
‑
30％。
[0016]进一步地，焙烧温度为800℃
‑
1300℃，焙烧时间为2
‑
20小时。
[0017]本专利技术还公开了镍基固体氧化物电解池阴极催化剂在固态氧化物电解池中的应用，如应用于平板型、管型、阳极支撑型、电解质支撑型等多种构型的固体氧化物电解池。纳米钙钛矿结构材料包裹阴极催化剂制成的固体氧化物电解池，可用于电解水制氢，也可用于电解二氧化碳或者水蒸气和二氧化碳共电解。
[0018]本专利技术的有益效果是，与现有技术相比，
[0019](1)本专利技术制备的固体氧化物电解池阴极催化剂采用纳米钙钛矿结构材料([La
x
Sr
(1
‑
x)
]y
Ti
(1
‑
z
‑
a)
M
z
N
a
O3±
δ
)包裹在氧化镍催化剂表面上，有效的增加了电极活性位，降低了固体氧化物电解池的极化电阻，提高了固体氧化物电解池的性能。
[0020](2)本专利技术制备的固体氧化物电解池阴极催化剂采用纳米钙钛矿结构材料([La
x
Sr
(1
‑
x)
]y
Ti
(1
‑
z
‑
a)
M
z
N
a
O3±
δ
)包裹在氧化镍催化剂表面上，纳米钙钛矿结构材料的表面金属复合纳米粒子对积碳抑制机制如图1所示，该固体氧化物电解池阴极催化剂可有效改善了固体氧化物电解池的抗积碳性能，提高了固体氧化物电解池在电解二氧化碳和共电解时的电解稳定性。
[0021](3)采用本方法制备的固体氧化物电解池阴极催化剂，可用于平板型、管型、阳极支撑型、电解质支撑型等多种构型的固体氧化物电解池。
[0022](4)本专利技术制备的固体氧化物电解池阴极催化剂的制备方法具有成本低，简单易于放大等特点。
[0023](5)本方法适用于固体氧化物电解池阴极催化剂的制备，对于推动固体氧化物电解池技术向应用技术的发展具有重要的意义。
附图说明
[0024]图1为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.镍基固体氧化物电解池阴极催化剂，其特征在于，该阴极催化剂是将纳米钙钛矿结构材料包裹于氧化镍催化剂的表面上制得的，阴极催化剂中纳米钙钛矿结构材料的质量百分含量为1％
‑
40％；所述纳米钙钛矿结构材料为[La
x
Sr
(1
‑
x)
]
y
Ti
(1
‑
z
‑
a)
M
z
N
a
O3±
δ
，其中，M选自Ni、Fe和Co中的一种或多种，N选自Cu和Zn中的一种或两种，δ表示因掺杂产生的氧非化学计量值，0≤x≤0.8，0.7≤y≤1.1，0＜z≤0.4，0＜a≤0.4。2.根据权利要求1所述的镍基固体氧化物电解池阴极催化剂，其特征在于，所述纳米钙钛矿结构材料的粒径为1纳米
‑
200纳米。3.根据权利要求1
‑
2中任一所述的镍基固体氧化物电解池阴极催化剂的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏新，涂宝峰，戚惠颖，张福俊，张同环，邱鹏，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：