一种固体氧化物电池的电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种固体氧化物电池的电极材料及其制备方法和应用，属于燃料电池及电解池领域。所述电极材料由BaZrO3相和La1‑

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物电池的电极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于燃料电池及电解池领域，具体涉及一种固体氧化物电池的电极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]固体氧化物电池(Solid Oxide Cell，简称SOC)是一种全固态电池结构，可以在高温下将燃料的化学能转化为电能，发电效率可达60％，热电联供效率可达90％；同时，也可以将水蒸气电解为氢气和氧气，电效率可达到100％，被认为是最高效的电解制氢技术。
[0003]膜电极是固体氧化物电池的核心部件，其具有“三明治”结构，中间是致密的电解质层，两边为多孔的氢电极和氧电极。随着运行温度降低，相比于氢电极上快速的氢氧化或水解离过程，氧电极上较迟缓的氧还原(ORR)或氧析出反应(OER)动力学是制约膜电极性能的主要因素。氧还原或氧析出反应涉及氧分子在电极孔道中扩散、氧分子的吸脱附、氧中间物种的表面扩散、电荷转移反应、氧离子
‑
电子传递等过程。上述反应过程要求电极材料应具备高的电子导电率、高的氧离子导电率、优异的催化氧表面反应活性以及合理的孔隙结构，然而，单一相组成或结构的电极材料难以兼顾上述要求，难以同时实现高的性能输出和稳定运行。目前，研究者通过浸渍等方法制备纳米电极来提高活性位点，提高电极性能。但该方法制备的电极在运行条件下，颗粒特别容易长大，导致活性位点损失及电池性能降低。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种固体氧化物电池的电极材料及其制备方法和应用，通过还原<br/>‑
氧化析出方法，制备纳米复合电极，显示出优异的电化学性能。
[0005]本专利技术提供了一种固体氧化物电池的电极材料，所述电极材料由BaZrO3相和La1‑
x
Ba
x
CoO3相组成，0≤x＜0.6，其中，BaZrO3与La1‑
x
Ba
x
CoO3的摩尔比为1：2～1：0.5，BaZrO3的颗粒尺度为50～500纳米，La1‑
x
Ba
x
CoO3的颗粒尺度为2～50纳米。
[0006]进一步地，所述电极材料中BaZrO3的颗粒尺度为50～100纳米，La1‑
x
Ba
x
CoO3的颗粒尺度为2～20纳米。
[0007]进一步地，电极材料中BaZrO3与La1‑
x
Ba
x
CoO3的摩尔比为1：2～1：1。
[0008]本专利技术还提供了一种固体氧化物电池的电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009](1)将钡盐，镧盐，锆盐，钴盐按照计量比(即根据所需电极组成添加原料量，本领域技术人员可以根据需求判定添加量)，添加到去离子水中，溶液中金属离子的浓度为0.5～2M；
[0010](2)配制浓度为0.2～2M的沉淀剂溶液，沉淀剂与金属离子的摩尔比为3：1～6：1，
[0011](3)将步骤(1)得到的金属离子混合液滴加到沉淀剂溶液中，静置、过滤、干燥，得到电极前驱体；
[0012](4)将电极前驱体在惰性气氛中焙烧处理1～5h，焙烧温度为700～1000℃，然后在
相同温度下将气氛切换到氧化性气氛中焙烧1～5h，然后降到室温，得到电极材料。
[0013]进一步地，所述钡盐包括Ba(NO3)2，所述镧盐包括La(NO3)3·
5H2O，所述锆盐包括Zr(NO3)4·
5H2O，所述钴盐包括Co(NO3)2·
6H2O。
[0014]进一步地，所述惰性气氛为纯度为99.99％以上的N2，Ar或He气氛；所述氧化性气氛为空气或纯度为99.99％以上的氧气气氛。
[0015]进一步地，在惰性气氛中的焙烧温度为750～900℃。
[0016]进一步地，所述沉淀剂包括碳酸氢铵，尿素或氨水。
[0017]进一步地，所述静置的时间为1～50h，所述干燥的温度为80～120℃，干燥的时间为10～30h。
[0018]本专利技术还提供了所述的电极材料或者所述的制备方法制备得到的电极材料的应用，所述电极可作为固体氧化物电解池的阳极，或者作为固体氧化物燃料电池的阴极，电池的运行温度可降低到400～600℃。
[0019]本专利技术的优点在于：
[0020](1)本专利技术制备的BaZrO3‑
La1‑
x
Ba
x
CoO3复合电极具有优异活性和稳定性。本专利技术的电极材料是由相应La、Ba、Zr、Co氧化物在还原
‑
氧化析出处理过程中，金属离子原位自组装形成的纳米BaZrO3‑
La1‑
x
Ba
x
CoO3复合电极体系，使得整个体系在热力学上更加稳定。此外，BaZrO3和La1‑
x
Ba
x
CoO3纳米颗粒原位析出铆合，限制了彼此间纳米颗粒在高温、电场下颗粒尺度增长，提升了电极的稳定性。另外，在这种复合电极中，BaZrO3相承担质子等离子传导，La1‑
x
Ba
x
CoO3相提升表面催化反应，两相纳米复合增加活性位点，提升电极的电化学性能。
[0021](2)本专利技术利用还原
‑
氧化析出方法制备出高质量纳米复合电极。本专利技术电极形成机制如下：通过在高温、低氧分压的N2，Ar或He惰性气氛中还原处理氧化物前驱体，形成部分氧缺失的氧化物，氧空位的存在促进了不同氧化物间La、Ba、Zr、Co元素扩散，构建出表界面高度活跃的La、Ba、Zr、Co氧化物的过渡体系。这一过渡体系在高氧分压的空气或氧气气氛中处理后，形成了热力学稳定的BaZrO3和La1‑
x
Ba
x
CoO3两相复合物。
[0022](3)本专利技术的电极材料制备方法简单，其中，前驱体通过简单、易放大的共沉淀方法制备，而还原
‑
氧化处理过程也很容易放大。该方法具有批量方大的前景。
具体实施方式
[0023]下面通过实施例对本专利技术作进一步的阐述。
[0024]对比例1
[0025]BaZrO3‑
La
0.7
Ba
0.3
CoO3(摩尔比为1：1)纳米复合电极材料及其制备。称取0.035molBa(NO3)2，0.065molLa(NO3)3·
5H2O，0.05molZr(NO3)4·
5H2O，0.05molCo(NO3)2·
6H2O，添加到200mL去离子水中，金属离子浓度为1M；配置2M的碳酸氢铵溶液，碳酸氢铵与金属离子的摩尔比为3：1；将金属离子混合液滴加到沉淀剂溶液中，然后静置10h，过滤后将沉淀物在烘箱中干燥30h，烘干温度为80℃，得到电极前驱体，然后在马弗炉中静态空气气氛中750℃焙烧处理5h，得到电极材料粉体。以上述电极材料作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物电池的电极材料，其特征在于：所述电极材料由BaZrO3相和La1‑
x
Ba
x
CoO3相组成，0≤x＜0.6，其中，BaZrO3与La1‑
x
Ba
x
CoO3的摩尔比为1：2～1：0.5，BaZrO3的颗粒尺度为50～500纳米，La1‑
x
Ba
x
CoO3的颗粒尺度为2～50纳米。2.根据权利要求1所述的一种固体氧化物电池的电极材料，其特征在于：所述电极材料中BaZrO3的颗粒尺度为50～100纳米，La1‑
x
Ba
x
CoO3的颗粒尺度为2～20纳米。3.根据权利要求1所述的一种固体氧化物电池的电极材料，其特征在于：所述电极材料中BaZrO3与La1‑
x
Ba
x
CoO3的摩尔比为1：2～1：1。4.一种固体氧化物电池的电极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)将钡盐，镧盐，锆盐，钴盐按照计量比，添加到去离子水中，溶液中金属离子的浓度为0.5～2M...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵哲，邵志刚，程谟杰，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：