一种固体氧化物电解池氢电极材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种易大规模化一步法制备的高性能固体氧化物电解池(SOEC)氢电极材料组成及其制备方法。作为SOEC用于电解纯CO2的氢电极，溶胶凝胶一步法相较于其他物理混合等方式具有很大的优势，可以引入更多的活性中心，形成丰富的两相界面，提高电极与电解质的热兼容性，增加结构稳定性和耐久性。通过溶胶凝胶一步法制备Cu

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物电解池氢电极材料及其制备方法和用途


[0001]本专利技术涉及一种高性能固体氧化物电解池氢电极材料组成及其制备方法，属于固体氧化物电解池


技术介绍

[0002]随着人类现代化进程的加快和经济全球化的迅猛发展，能源利用和环境保护已成为当今社会可持续发展中的两项重大课题。目前的能源体系主要以化石资源为主，而传统的燃烧技术对化石资源的利用效率极低，并且还带来严重的环境污染及能源短缺问题。电解技术以其独特的优势在能源系统中发挥着巨大的作用，其中固体氧化物电解池(SOEC)是一种高效、无污染的一种能量转换装置，也是固体氧化物燃料电池的逆过程，电解池和燃料电池可实现电能和化学能的相互转换。利用清洁能源产生的电力，SOEC可将H2O和CO2电解产生H2和CO等，且能源转换效率接近100％。SOEC的结构由两侧的多孔阴极(氢电极)和阳极(氧电极)以及中间的致密电解质组成，其中在气体
‑
氢电极
‑
电解质的三相界面处，H2O或CO2发生电化学还原反应并产生燃料气(H2或CO)，随后氧离子经电解质传输至氧电极，氧电极侧发生氧析出反应并产生O2。
[0003]氢电极是SOEC电解原料气通入的电极，当氢电极工作时，水和二氧化碳在氢电极附近分解，产物气体经电极向外输出。因而氢电极要具有较高的氧离子和电子电导率、一定的催化活性，还要具备一定的孔隙率。目前在固体氧化物电解池中主要有Ni
‑
(Y2O3)
0.08
(ZrO2)
0.92/>(YSZ)和Ni
‑
Gd
0.1
Ce
0.9
O
1.95
(GDC)等，其中Ni
‑
YSZ是目前应用最广泛的电解池阴极材料，其具有多孔结构、离子电导率和电子电导率较高、催化活性好且成本较低等优点。但经典的镍基阴极存在对碳氢燃料氧化或CO2电解的高催化活性而导致的积碳、高温长期运行导致的Ni纳米颗粒团聚、高温H2O或CO2导致的Ni氧化、稳定性欠佳等问题，因此开发合适的电极结构并同时兼顾电催化活性和长期稳定性对电池的性能至关重要。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的问题，本专利对氢电极进行优化，使得在SOEC模式下获得较高的性能和较佳的稳定性。本专利技术提出了一种固体氧化物电解池阴极材料、制备方法及应用。具体涉及一种应用于固体氧化物电解池的钙钛矿结构的新型阴极材料。通过在溶胶凝胶一步法制备的Cu
x
/SFM
‑
GDC氢电极，提高可逆固体氧化物电池电化学性能，本方法制备氢电极具有制备工艺简单，对H2氧化和CO2电解表现出了较高的催化活性位，使得电池性能进一步的优化，且具有良好稳定性的优点。本专利技术制备出了Cu
x
/SFM
‑
GDC纳米催化剂修饰的固体氧化物电池氢电极，改善现有传统氢电极对燃料气氧化以及CO2电解性能的不足。本专利技术提供的在多孔氢电极，在SOFC模式下具有高功率密度输出和在SOEC模式下可以直接电解CO2制备CO。
[0005]一种固体氧化物电解池氢电极材料，化学通式为Cu
x
‑
Sr2Fe
1.5
Mo
0.5
O6‑
δ
‑
Gd
0.1
Ce
0.9
O2‑
δ
，其中x表示Cu元素的相对含量，0.05≤x≤0.1，δ表示氧空位含量。当x＝0.05
和0.1时，其对应的缩写分别为Cu05/SFM
‑
GDC，Cu10/SFM
‑
GDC。
[0006]固体氧化物电池氢电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0007]第1步，按照Cu
x
‑
Sr2Fe
1.5
Mo
0.5
O6‑
δ
Gd
0.1
Ce
0.9
O2‑
δ
的化学计量比分别称取一定质量的Cu(NO3)2、Gd(NO3)3·
6H2O、Ce(NO3)3·
6H2O、Sr(NO3)2、Fe(NO3)3·
9H2O和(NH4)6Mo7O
24
·
4H2O加入适量的去离子水并搅拌溶解，得到澄清溶液；
[0008]第2步，向混合溶液中加入乙二胺四乙酸和柠檬酸，通过氨水将溶液的pH进行调节，搅拌直至成为凝胶；
[0009]第3步，将溶胶干燥，得到前驱体粉末；
[0010]第4步，将前驱体粉末高温煅烧，得到氢电极。
[0011]在一个实施方式中，煅烧成相的温度为850
‑
1100℃。
[0012]总金属离子：EDTA：柠檬酸的摩尔比是1：0.5
‑
1.5：1.5
‑
2.5。
[0013]pH进行调节是采用氨水调节。
[0014]上述的一步法制备的氢电极材料在用于制备固体氧化物电解池中的应用。
[0015]固体氧化物电解池采用氢电极
‑
电解质
‑
氧电极组件结构。
[0016]所述的氢电极
‑
电解质
‑
氧电极组件中，氢电极中含有上述的固体氧化物电解池氢电极材料；氧电极中含有BSCF粉体；电解质中含有LSGM粉体。
[0017]在一个实施方式中，所述的]氢电极用于提高固体氧化物电解池的CO2吸附能力、提高固化氧化物燃料电池的输出功率或者提高固化氧化物电解池电解CO2性能中的应用。
[0018]有益效果
[0019]本专利技术涉及到的高性能固体氧化物电池氢电极Cu10/SFM
‑
GDC，是通过溶胶凝胶一步法制备的，具有以下效果：
[0020](1)制备流程简单，制备方法更加简便，提供了更多的活性位点，电化学性能优异，具有良好的稳定性。
[0021](2)当以LSGM作为电解质，BSCF作为氧电极时，得到的全电池具有更高的输出功率及更低的极化阻抗。
[0022](3)当以LSGM作为电解质，BSCF作为氧电极时，得到的全电池可以直接用于CO2的电解制备CO，得到的全电池具有较高的电解电流密度，在850℃时1.6V所对应的电流密度可达到2220mA cm
‑2左右，优于以SFM
‑
GDC和Cu05/SFM
‑
GDC为氢电极的单电池。
[0023](4)本专利技术的该氢电极材料具有良好的电化学性能，且与传统的Ni/YSZ氢电极材料相比，本专利技术的氢电极材料不存在高温高湿环境下不稳定、Ni的团聚和挥发等问题。
[0024](5)溶胶凝胶一步法相较于浸渍、掺杂、物理混合等传统方法更具有显著优势，可以引入更多的活性中心，形成丰富的两相界面，提高电极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物电解池氢电极材料，其特征在于，化学通式为Cu
x
‑
Sr2Fe
1.5
Mo
0.5
O6‑
δ
‑
Gd
0.1
Ce
0.9
O2‑
δ
，其中x表示Cu元素的相对含量，0.05≤x≤0.1，δ表示氧空位含量，简称为Cux/SFM
‑
GDC。2.权利要求1所述的固体氧化物电解池氢电极材料的制备方法，，其特征在于，包括如下步骤：第1步，按照Cu
x
‑
Sr2Fe
1.5
Mo
0.5
O6‑
δ
‑
Gd
0.1
Ce
0.9
O2‑
δ
的化学计量比分别称取一定质量的Cu(NO3)2、Gd(NO3)3·
6H2O、Ce(NO3)3·
6H2O、Sr(NO3)2、Fe(NO3)3·
9H2O和(NH4)6Mo7O
24
·
4H2O加入适量的去离子水并搅拌溶解，得到澄清溶液；第2步，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨广明，庞芳，杨美婷，杨长江，冉然，周嵬，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：