一种自组装氨分解纳米结构阳极材料及其在直接氨固体氧化物燃料电池中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种自组装氨分解纳米结构阳极材料及其在直接氨固体氧化物燃料电池中的应用，该阳极材料为活性金属组分和镧系金属氧化物的复合物；所述的活性金属组分是过渡金属铁或镍铁双金属，所述的镧系金属氧化物组分为氧化钆掺杂的氧化铈。本发明专利技术通过自组装的方法获得纳米复合结构的固体氧化物燃料电池阳极材料。本发明专利技术原料成本低廉，制作方法简单，制备的催化剂材料可以达到纳米尺寸，各相之间分布更为均匀，自组装合成方法加强了金属间、金属

【技术实现步骤摘要】
一种自组装氨分解纳米结构阳极材料及其在直接氨固体氧化物燃料电池中的应用


[0001]本专利技术涉及燃料电池领域及氨分解催化领域，具体涉及一种自组装氨分解纳米结构阳极催化剂和在直接氨固体氧化物电池上的应用。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种先进的发电设备，具有高能量转换效率、低碳排放等优点。SOFC的燃料使用范围广，除了氢气，还可以使用合成气、甲烷、氨气等多样化燃料。其中，氨气具有高能量密度、储运成本低、安全性高等优点，以氨气作为氢的能源载体有望解决氢气储运难题，因此开发直接氨燃料SOFC具有重要的意义。SOFC阳极是燃料发生电化学氧化的场所，目前的成熟阳极材料体系为Ni基金属陶瓷复合材料，但Ni金属在氨气气氛下容易发生氮化，使阳极的微结构发生明显的粗糙化，导致阳极的催化活性大幅降低。因此需开发高效稳定的新型直接氨SOFC阳极。
[0003]贵金属钌基氨分解催化剂具有最佳的催化活性，但高昂的成本限制了钌基大规模应用。在非贵金属催化剂中，铁基催化剂对氨催化分解反应具有良好的活性，且其价格低廉、储量丰富，有望替代钌基催化剂。然而，铁基催化剂在高温条件下容易发生长大粗化，从而导致催化效果的降低。因此，若可以开发合适的纳米结构铁基催化剂制备方法，并增强金属
‑
氧化物间的相互作用，则可以避免SOFC条件下阳极的微结构粗糙化问题，从而提高直接氨SOFC的运行稳定性。

技术实现思路

[0004]本专利技术公开了一种自组装氨分解纳米结构阳极催化剂和在直接氨固体氧化物燃料电池上的应用，利用自组装的方法调控Fe
‑
GDC（氧化钆掺杂的氧化铈）或NiFe
‑
GDC阳极催化剂材料的形貌和颗粒大小，获得分布均匀且具有细晶粒尺寸的多相混合物，通过增强金属间、金属
‑
氧化物间的相互作用，实现优异的电池性能和运行稳定性，同时在氨催化应用方面实现较好的氨分解性能。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的第一个技术方案为：一种自组装氨分解纳米结构阳极催化剂，所述纳米结构阳极催化剂材料为活性金属组分和镧系金属氧化物的复合物，其中活性金属组分为过渡金属铁或镍铁双金属，镧系金属氧化物组分为氧化钆掺杂的氧化铈。以质量百分比算，所述活性金属组分铁或镍铁双金属占催化剂的60~80 wt%，镧系金属氧化物氧化钆掺杂的氧化铈占催化剂的20~40wt%，二者质量百分数之和为100%。
[0006]本专利技术采用的第二个技术方案为：一种自组装氨分解纳米结构阳极催化剂的制备方法，具体包括以下步骤：（1）当活性金属组分为铁时，将Fe(NO3)3·
9H2O、Ce(NO3)3·
6H2O、Gd(NO3)3·
6H2O与有机酸、螯合剂混合，并加入去离子水、碱性溶液，不断搅拌使各成分充分溶解；当活性金属组分为镍铁双金属时，将Ni(NO3)2·
6H2O、Fe(NO3)3·
9H2O、Ce(NO3)3·
6H2O、Gd(NO3)3·
6H2O
与有机酸、螯合剂混合，并加入去离子水、碱性溶液，不断搅拌使各成分充分溶解；（2）将步骤（1）所得的澄清溶液在一定温度下进行加热，加热过程中利用有机酸、螯合剂与金属离子的高度非离子选择性螯合能力及螯合剂聚合防止金属硝酸盐再结晶的空间效应使加入的成分在升温过程中进行自组装，并蒸干水分；（3）将步骤（2）所得的样品转移至烘箱中并在一定温度下进行干燥，得到自组装氨分解纳米结构阳极催化剂的前驱体；（4）将步骤（3）所得的阳极催化剂材料前驱体在一定温度下进行煅烧，得到自组装氨分解纳米结构阳极催化剂。
[0007]步骤（1）中所用有机酸是柠檬酸，螯合剂是乙二胺四乙酸，其中有机酸和螯合剂按照摩尔比(0.2~2):(1~4)混合，其加入量按照螯合剂与总金属阳离子的摩尔比为(0.2~10):1进行换算。
[0008]步骤（1）所用碱性溶液为氨水，其中氨水加入量按照0.01摩尔总金属阳离子配(5~7)mL氨水进行换算。
[0009]步骤（2）加热去除水分的温度为100~400℃。
[0010]步骤（3）凝胶在烘箱中干燥的温度为100~200℃，干燥时间为5~10小时。
[0011]步骤（4）前驱体煅烧的温度为500~1000℃，煅烧时间为0.5~4小时。
[0012]本专利技术采用的第三个技术方案为：一种自组装氨分解纳米结构阳极催化剂在直接氨固体氧化物燃料电池上的应用。
[0013]燃料电池依次层叠包括阳极、电解质层、阻挡层和阴极。所述阳极为自组装氨分解纳米结构阳极；所述电解质层为(Sc2O3)
0.1
(CeO2)
0.01
(ZrO2)
0.89
(SSZ);所述阻挡层为Gd
0.1
Ce
0.9
O
1.95
；所述阴极为La
0.6
Sr
0.4
Co
0.2
Fe
0.8
O3；所述直接氨固体氧化物燃料电池是指氧离子导体固体氧化物燃料电池，是以氨为燃料。
[0014]本专利技术的显著优点在于1．通过自组装法制备了Fe
‑
GDC和NiFe
‑
GDC催化剂,增强了Fe相或NiFe合金相和GDC相间的相互作用，从而抑制活性金属在电池运行过程中的长大和迁移，提高了电池的性能和运行稳定性。
[0015]2．催化剂材料活性金属的组成使用到了Ni和Fe，可以将该催化剂材料扩展至氨分解领域作为氨制氢催化剂使用，自组装的合成方法形成的强相互作用在氨气氛下也能抑制活性金属的长大粗化。
[0016]3. 引入非贵金属Ni和Fe，可以取代贵金属Ru催化剂，极大降低了氨催化成本，原料来源广泛，制备工艺简单，经济效益显著。
附图说明
[0017]图1显示为本专利技术实施例中通过自组装法合成后的氨分解纳米结构阳极催化剂粉体的XRD图。
[0018]图2显示为本专利技术纳米催化剂材料还原后粉体的XRD图。
[0019]图3显示为本专利技术实施例1得到的纳米结构催化剂粉体HAADF图像和元素分布图。
[0020]图4显示为本专利技术实施例1得到的纳米结构的催化剂粉体TEM图。
[0021]图5显示为本专利技术使用实施例1中得到的催化剂材料作为直接氨SOFC阳极制备得
到的电池功率密度曲线图。
[0022]图6显示为本专利技术使用实施例1中得到的催化剂材料作为阳极的直接氨SOFC电池稳定性曲线图。
[0023]图7显示为本专利技术实施例中制得的纳米催化剂材料在氨分解反应中的转化率曲线图。
具体实施方式
[0024]为了使本专利技术所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本专利技术所述的技术方案做进一步的说明，但是本专利技术不仅限于此。
[0025]实施例1本实施例提供了一种自组装氨分解纳米结构阳极催化剂材料，包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自组装氨分解纳米结构阳极材料，其特征在于，所述氨分解纳米结构阳极材料为活性金属和镧系金属氧化物的复合物，其中活性金属组分为过渡金属铁或镍铁双金属，镧系金属氧化物组分为氧化钆掺杂的氧化铈，所述纳米结构阳极材料由自组装方法合成，作为催化剂用于氨分解反应或作为阳极材料用于直接氨固体氧化物燃料电池。2.根据权利要求1所述的自组装氨分解纳米结构阳极材料，其特征在于：所述活性金属组分铁或镍铁双金属占阳极材料的60~80 wt%，镧系金属氧化物组分氧化钆掺杂的氧化铈占阳极材料的20~40 wt%，二者质量百分数之和为100%。3.一种如权利要求1或2所述的自组装氨分解纳米结构阳极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）当活性金属组分为铁时，将Fe(NO3)3·
9H2O、Ce(NO3)3·
6H2O、Gd(NO3)3·
6H2O与有机酸、螯合剂混合，并加入去离子水、碱性溶液，不断搅拌使各成分充分溶解；当活性金属组分为镍铁双金属时，将Ni(NO3)2·
6H2O、Fe(NO3)3·
9H2O、Ce(NO3)3·
6H2O、Gd(NO3)3·
6H2O与有机酸、螯合剂混合，并加入去离子水、碱性溶液，不断搅拌使各成分充分溶解；（2）将步骤（1）所得的溶液在一定温度下进行加热，使加入的成分在升温过程中进行自组装，并蒸干水分；（3）将步骤（2）所得的样品转移至烘箱中并在一定温度下进行干燥，得到自组装氨分解纳米结构阳极材料的前驱体；（4）将步骤（3）所得的阳极材料前驱体在一定温度下进行煅烧，得到自组装氨分解纳米结构阳极材料。4.根据权利要求3所述的制备方法...

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