一种高性能、耐热循环的复合纳米空气电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能、耐热循环的复合纳米空气电极及其制备方法，其组成为La1‑

【技术实现步骤摘要】
一种高性能、耐热循环的复合纳米空气电极及其制备方法


[0001]本专利技术属于燃料电池催化材料制备
，具体涉及一种高性能、耐热循环的复合纳米空气电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]为了应对全球能源危机与全球变暖问题，急需研发高效率能源转化装置支持可再生能源的高效利用与再生。固体氧化物电池（SOC）是一种高效的全固态电化学能量转换装置，可实现可再生能源高效的利用和再生。SOC的结构包括燃料电极、电解质和空气电极三部分，其中空气电极的氧还原/氧析出反应（ORR/OER）动力学缓慢是SOC商业化的主要阻碍之一。
[0003]含钴钙钛矿空气电极具有电子/离子混合导电，能将反应活性位点扩展到整个电极区间，因此具有优异的催化性能，其中La1‑
x
Sr
x
CoO3‑
δ
（LSC）具有商业化前景。然而，LSC的热膨胀系数高，与常用的电解质材料不匹配，在长期运行及热循环过程容易发生界面分层或电极破裂，导致电池性能衰减。为了提高LSC的催化性能同时解决热膨胀系数高的问题，可通过制备复合纳米结构电极提高电极催化活性，在电极中引入低热膨胀系数的材料平衡热膨胀系数，并增强两相的相互作用抑制热膨胀系数不匹配的不利影响（Song Y S, Chen Y B, Wang W, et al. Self
‑
assembled triple
‑
conducting nanocomposite as asuperior protonic ceramic fuel cell cathode[J]. Joule, 2019, 3(11): 2842
‑
2853）。因此，如何获得精细结构和强相互作用的复合纳米电极是提高LSC电极性能和热循环稳定性的一大难题。

技术实现思路

[0004]为了解决该问题，本专利技术公开了一种高性能、耐热循环的复合纳米空气电极及其制备方法。该制备方法工艺简单，制备得到的复合空气电极不仅具有精细的结构，且各相间具有强相互作用，提升了电极的电催化性能和热循环稳定性。
[0005]该电极组成为La1‑
x
Sr
x
CoO3‑
δ
和Co3O4、SrCO3、SrCoO
2.5
、LaSrCoO4中的一种或多种的复合体；其中x为0.2~1。
[0006]该电极的制备步骤如下：（1）通过搅拌和氨水调节pH将La(NO3)3·
6H2O、Sr(NO3)2、Co(NO3)3·
6H2O、柠檬酸、乙二胺四乙酸溶解在去离子水中；随后加热搅拌直至得到凝胶；凝胶在一定温度下干燥，随后在低于t℃下煅烧，得到复合纳米空气电极粉体；其中t为形成单相La1‑
x
Sr
x
CoO3‑
δ
所需的最低温度。
[0007]（2）将复合纳米空气电极粉体与粘结剂混合制成电极浆料，随后丝网印刷在电池的电解质表面；在一定温度下烘干后无需传统高温烧结，即得到所述热循环稳定的固体氧化物电池复合纳米空气电极。
[0008]进一步地，步骤（1）中，氨水调节pH的值为2~10。
[0009]进一步地，步骤（1）中，La(NO3)3·
6H2O：Sr(NO3)2：Co(NO3)3·
6H2O的摩尔比为(0.01~1):(0.01~1):(1~1.5)。
[0010]进一步地，步骤（1）中，柠檬酸与乙二胺四乙酸的摩尔比为(0.1~2.5):(0.1~2)。
[0011]进一步地，步骤（1）中，乙二胺四乙酸与溶液中金属阳离子的摩尔比为(0.1~10):1。
[0012]进一步地，步骤（1）中，加热搅拌温度为50~500℃。
[0013]进一步地，步骤（1）中，凝胶的干燥温度为50~500℃，干燥时间为0.1~50小时。
[0014]进一步地，步骤（1）中，形成单相La1‑
x
Sr
x
CoO3‑
δ
所需的最低温度的判断标准为：高于该温度煅烧的粉体的XRD图谱中只有La1‑
x
Sr
x
CoO3‑
δ
相的衍射峰，低于该温度煅烧的粉体的XRD图谱中除了La1‑
x
Sr
x
CoO3‑
δ
相的衍射峰，还存在Co3O4、SrCO3、SrCoO
2.5
、LaSrCoO4中的一种或多种相的衍射峰。
[0015]进一步地，步骤（2）中，粘结剂为溶解了乙基纤维素的松油醇，其中乙基纤维素占粘结剂质量的0.1%~8%；进一步地，步骤（2）中，复合纳米空气电极粉体与粘结剂的质量比为1:(0.1~5)。
[0016]进一步地，步骤（2）中，烘干温度为50
‑
200℃，烘干时间为0.1~12小时。
[0017]本专利技术具有以下优势:1、本专利技术公开的复合纳米空气电极不仅具有精细的结构，且各相间相互作用强。
[0018]2、本专利技术公开的复合纳米空气电极具有高性能和高热循环稳定性。
[0019]3、本专利技术提供的复合纳米空气电极制备方法对设备要求低，工艺简单、稳定，适用于工业化生产。
附图说明
[0020]图1是本实施例得到的复合纳米空气电极粉体的XRD图及Rietveld精修结果；图2是本实施例得到的复合纳米空气电极表面的SEM形貌图；图3是具有本实施例得到的复合纳米空气电极的阳极支撑型电池在750℃的放电曲线图；图4是具有本实施例得到的复合纳米空气电极的阳极支撑型电池的热循环稳定性图；图5是单相LSC空气电极表面的SEM形貌图；图6是具有单相LSC空气电极的阳极支撑型电池在750℃下的放电曲线图；图7是具有单相LSC空气电极的阳极支撑型电池的热循环稳定性图。
具体实施方式
[0021]本专利技术用下列具体实施例做进一步的说明，但其保护范围并不限于下列实施案例。
[0022]实施例1:（1）将La(NO3)3·
6H2O、Sr(NO3)2、Co(NO3)3·
6H2O、柠檬酸、乙二胺四乙酸按摩尔比0.6:0.4:1:3:2放入烧杯，加入去离子水，通过氨水将溶液pH调节为6，同时不断搅拌使原料完全溶解。
[0023]（2）将步骤（1）所得溶液在250℃下不断搅拌直至得到凝胶，凝胶在180℃下干燥12小时，随后在850℃煅烧3小时，即制得具有LSC、SrCoO
2.5
、SrCO3三相的复合纳米空气电极粉体。
[0024]（3）将复合纳米空气电极粉体与溶解了4%乙基纤维素的松油醇粘结剂按质量比1:0.667混合制成电极浆料。
[0025]（4）将电极浆料丝网印刷在电解质表面，在150℃下烘干1小时，无需传统高温烧结，即得到复合纳米空气电极。
[0026]图1是本实施例得到的复合纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能、耐热循环的复合纳米空气电极的制备方法，其特征在于：a．电极组成为La1‑
x
Sr
x
CoO3‑
δ
和Co3O4、SrCO3、SrCoO
2.5
、LaSrCoO4中的一种或多种的复合体；其中x为0.2~1；b．制备步骤：（1）通过搅拌和氨水调节pH将La(NO3)3·
6H2O、Sr(NO3)2、Co(NO3)3·
6H2O、柠檬酸、乙二胺四乙酸溶解在去离子水中；随后加热搅拌直至得到凝胶；凝胶先干燥，随后在低于t℃下煅烧，得到复合纳米空气电极粉体；其中t为形成单相La1‑
x
Sr
x
CoO3‑
δ
所需的最低温度；（2）将复合纳米空气电极粉体与粘结剂混合制成电极浆料，随后丝网印刷在电池的电解质表面；烘干后无需传统高温烧结，即得到高性能、高热循环稳定的复合纳米空气电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，氨水调节pH的值为2~10。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，La(NO3)3·
6H2O：Sr(NO3)2：Co(NO3)3·
6H2O的摩尔比为(0.01~1):(0.01~1):(1~1.5)。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，柠檬酸与乙二胺四乙酸的摩尔比为(0.1~...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈孔发，陈志逸，艾娜，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：