用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料及其制备方法，涉及固体氧化物燃料电池用的纳米电解质材料及其制备方法。解决现有用于中温固体氧化物燃料电池的电解质材料的中温区离子电导率较低，及现有氧离子导体电解质材料制备温度高的问题。本发明专利技术电解质材料为稀土元素离子与钴离子共掺的氧化铈基氧离子导电电解质纳米粉末；称取CeO2、稀土元素硝酸盐和硝酸钴，研磨混匀，再加入混合无机碱，然后加热，再清洗干燥即可。在500～700℃内，离子电导率高，最高达到0.047S·cm-1，Co3+离子的掺杂提高电解质材料的传导性能，增大了离子电导率，改善了单一稀土Nd3+离子掺杂CeO2电解质的电化学性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种固体氧化物燃料电池用的纳米电解质材料及其制备方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池是一种在高温条件下工作的能源装置，能量利用效率高达 80%左右，是热电站、气体涡轮机与汽车的首选替代能源。传统的固体氧化物燃料电池使用温度通常达到1000°C，这会给燃料电池技术带来一系列问题例如材料的老化，组元之间的相互扩散等。开发中温固体氧化物燃料电池已成为其研究的热点方向之一。传统的固体氧化物燃料电池电解质材料(&02)1_!￡化203)!￡在1000°C以下较低的氧离子电导率而不再适用于中温固体氧化物燃料电池。开发中温区具有高性能的电解质材料成为发展燃料电池技术的重要任务。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料的中温区离子电导率较低，不适合在中温条件下工作，及现有氧离子导体电解质材料制备温度高的问题，本专利技术提供了一种。本专利技术的用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料为稀土元素离子与钴离子共掺杂的氧化铈基氧离子导电电解质纳米粉末，化学式为Ce(1_x_y)RexCOy02_s，其中 χ y = 4 20 1，x+y = 0. 21 0. 25，δ = 0. 10 0. 12，Re 为稀土元素。所述稀土元素离子为Nd3+、Sm3+、Gd3+、Eu3+ 或者 ft·3+。本专利技术的用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料的制备方法是通过以下步骤实现的一、按摩尔百分比称取75% 79%的CeO2及21% 25%的稀土元素硝酸盐和硝酸钴混合物，其中控制硝酸钕和硝酸钴混合物中硝酸钕和硝酸钴的摩尔比为4 20 1，然后将CeO2、稀土元素硝酸盐和硝酸钴研磨混合得混合原料；二、向步骤一得到的混合原料中加入碱金属无机碱混合物，搅拌均勻得混合物料，然后将混合物料在200 280°C条件下保温48 96h，再自然冷却至室温，得白色粉末，其中加入的碱金属无机碱混合物与混合原料的质量比为3.7 4 1 ；三、将步骤二得到的白色粉末洗涤并过滤得湿粉末，然后将湿粉末在50 80°C条件下保温8 15h，得用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料 Cea_x_y)NdxCoy02_s，其中 χ y = 4 20 1，x+y = 0. 21 0. 25，δ = 0. 10 0. 12，完成用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料的制备方法。本专利技术步骤二中所述碱金属无机碱的混合物为LiOH、NaOH, KOH、RbOH和CsOH中两种的混合物，两种碱金属无机碱间的混合比例以共熔点较低为准进行混合。本专利技术的用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料的制备方法中使用了碱金属无机碱(具有强碱性，如强碱NaOH和Κ0Η)，会与玻璃中的SW2反应，生成硅酸钠，给产物引入杂质，因此，本专利技术制备方法中不宜采用玻璃容器，而应当采用能耐强碱的容器， 如聚四氟乙烯容器(其耐强酸强碱，且最高可以加热到280°C左右)。本专利技术为用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料，为Cea_x_y)NdxCoy02_s 体系，其中Ce离子为+4价，稀土离子为+3价，稀土离子取代Ce离子，由于为了维持体系电中性，会产生一定数量的氧空位，提高材料的氧离子电导率。Co离子通常条件下为+3价，它的引入除了可以引入氧空位外，与氧离子的结合能较低，引起氧离子的传导能力增加，进而提高氧离子传导率。本专利技术的用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料为单一的萤石结构化合物，具有较高的结晶度。本专利技术的纳米电解质材料是由麦穗状纳米粒子聚集组装成珊瑚状粒子。本专利技术的纳米电解质材料在500 700°C的温度范围内，离子电导率较高，最高可达到0. 047S · cnT1，从而得到一种通用的高活性和高长期稳定性的用于固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料。将本专利技术的用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料在200兆帕下压制成型，然后在1300 1400°C、空气气氛中烧结12小时得到致密的电解质陶瓷片；然后在电解质陶瓷片的两侧涂钼金浆，再烧结制得多孔钼对电极。然后采用复阻抗谱测试技术， 利用两电极体系在空气条件下对本专利技术的纳米电解质材料的电阻进行测试，结果表明本专利技术的用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料的电导率在800°C下达到0. 043 0. IlS · cn^JOOt下达到 0. 022 0. 047S · cnT1，600 °C 下达到 0. 0089 0. 015S · cnT1， 500°C下达到0. 0032 0. 0042S · cnT1，分别是相应温度下未掺杂过渡金属钴离子的稀土离子单掺的氧化铈基氧离子导电电解质纳米材料的2. 52 6. 47倍(800°C )，3. 10 6. 71倍 (7000C )，3. 18 12 倍(600°C )，5. 82 24. 29 倍(500°C )。说明 Co3+ 离子的掺杂提高电解质材料的传导性能，增大了离子电导率，改善了单一稀土 Nd3+离子掺杂CM2电解质的电化学性能。本专利技术的制备方法操作简单，条件温和QOO 280°C )；合成的纳米电解质材料的优点是结晶度较高，为纳米粒子，易于烧结成致密陶瓷材料，增加中低温区的氧离子电导率，从而提高电解质材料的电化学性能。由于掺杂离子具有较低的化学价态，这可以提高晶体内的氧空位密度，提高电解质材料在不同氧分压条件下的稳定性。本专利技术的用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料，利用掺杂离子具有比铈离子更低的化学价态，而且与氧离子的结合能力有一定的差异，这提高了晶体内部氧离子空位的浓度与迁移，使其具有较高的氧离子电导率以及在不同氧分压条件下呈现出较强的电化学稳定性。同时在一定程度上减小粒子尺寸，增加粒子表面活性与反应性能，使其在较低温度下更易于烧结成致密陶瓷材料，从而改善电解质性能。附图说明图1是具体实施方式十二的用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料的X-射线衍射谱图；图2是具体实施方式十二的Cq 78Nd0.2Co0.02O1.89纳米电解质材料的场发射扫描电子显微镜照片；图3是具体实施方式十二和十三的纳米电解质材料的电导率曲线图，其中“-■_”是具体实施十二的Cea Jda2Coatl2Ou9纳米电解质材料的电导率曲线，“_ · _”是具体实施十三的Cea8Nda2Ou电解质的电导率曲线；图4是具体实施方式十五和十六的纳米电解质材料的电导率曲线图，其中“-·_”是具体实施十五的Cetl. Jda2Coaci5Ou8纳米电解质材料的电导率曲线，“_ ■ _”是具体实施十六的 Ce0.79Nd0.2Co0.010L9纳米电解质材料的电导率曲线；图5是具体实施方式十七和十八的纳米电解质材料的电导率曲线图，其中“_眷_”是具体实施方式十七的Cetl.^ma2Coaci2Ou9纳米电解质材料的电导率曲线，“-■ _”是具体实施十八的Cea8Sma2Ou电解质材料的电导率曲线；图6是具体实施方式十九和二十的纳米电解质材料的电导率曲线图，其中“_ · _”是具体实施方式十九的Cea78Gda2Coaci2Ou9纳米电解质材料的电导率曲线，“_ ■ _”是具体实施二十的Cea8Gda2Ou纳米电解本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料，其特征在于用于中温固体氧化物燃料电池的纳米电解质材料为稀土元素离子与钴离子共掺杂的氧化铈基氧离子导电电解质纳米粉末，化学式为Ｃｅ（１－ｘ－ｙ）ＲｅｘＣｏｙＯ２－δ，其中ｘ∶ｙ＝４～２０∶１，ｘ＋ｙ＝０．２１～０．２５，δ＝０．１０～０．１２，Ｒｅ为稀土元素。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：夏天，赵辉，李强，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：93
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