一种有序化固体氧化物膜电极的制备方法技术

本发明专利技术属于电极制备方法技术领域，特别涉及一种有序化固体氧化物膜电极的制备方法。本发明专利技术中催化剂的支撑体阵列固体氧化物棒可通过模板法制取，并与致密固体氧化物电解质膜烧结融为一体。高度有序的阵列固体氧化物棒定义了有序化固体氧化物膜电极中的电极空隙率和催化剂表面大小，从而达到有序电极的可控制备。阳极催化剂与阴极催化剂分别通过在阵列固体氧化物棒上制备而成，催化剂以纳米或微米颗粒状态结合在固体氧化物棒表面上形成催化层，催化剂粒子之间相互贯通，并与集流体相连，催化剂颗粒高度分散，具有较高的比表面积和催化活性，可以极大地增加SOFC与SOEC的三相反应界面，降低电极的极化电阻，提高燃料的反应速率和原料气还原转化率。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于电极制备方法
，特别涉及。本专利技术中催化剂的支撑体阵列固体氧化物棒可通过模板法制取，并与致密固体氧化物电解质膜烧结融为一体。高度有序的阵列固体氧化物棒定义了有序化固体氧化物膜电极中的电极空隙率和催化剂表面大小，从而达到有序电极的可控制备。阳极催化剂与阴极催化剂分别通过在阵列固体氧化物棒上制备而成，催化剂以纳米或微米颗粒状态结合在固体氧化物棒表面上形成催化层，催化剂粒子之间相互贯通，并与集流体相连，催化剂颗粒高度分散，具有较高的比表面积和催化活性，可以极大地增加SOFC与SOEC的三相反应界面，降低电极的极化电阻，提高燃料的反应速率和原料气还原转化率。【专利说明】
本专利技术属于电极制备方法
，特别涉及。
技术介绍
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称S0FC)或固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell，简称 S0EC)具有工作温度高(600 ~1000°C )、无需使用贵金属催化剂、全固态结构等优点，是一种高效的能量转换装置。SOFC的基本组成与SOEC相似，核心部件固体氧化物膜电极由致密的固体氧化物电解质膜和两侧多孔电极构成，其结构可以分为电极支撑(包括阳极支撑或阴极支撑)、电解质支撑和连接体支撑三种类型。SOFC是将化学能直接转化为电能的发电装置，工作原理为:在阳极一侧持续通入燃料气(例如:氢气、甲烷、城市煤气等碳基燃料气)，具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧分子，由于阴极本身的电催化还原作用，使得O2得到电子变为02_，在化学势的作用下，02_进入固体氧化物电解质膜，由浓度梯度引起02_扩散，最终到达固体电解质膜与阳极的界面处与燃料气体分子发生反应，失去的电子通过外电路回流到阴极。由于单体电池只能产生IV左右的电压，功率有限，为了使得SOFC具有实际应用可能，需要大大提高SOFC的输出功率。为此，可以将若干个单电池以各种方式(串联、并联、混联)组装成电堆；S0EC是将电能直接转化为化学能的电解装置，与SOFC过程互逆。SOEC的工作原理为:C02或H2O等原料气体通过多孔阴极扩散至与电解质的界面发生电化学还原反应，生成CO 或 H2,阴极反应包括:1) 2C02+4丨一2C0+202-或 2) 2H20+4e_ — 2Η2+20- ;如果 CO2 与 H2O共电解时，则生成合成气，电解H2O生成的H2会与体系中的CO2发生逆向水气变换反应:3)C02+H2 — C0+H20，生成的H2O会进一步参与到电解反应中。另一方面，02_在电场的作用下通过固体氧化物电解质膜中的氧空位迁移到阳极催化剂与电解质界面处，释放电子氧化生成O2,阳极反应为:4 ) 202_ — 02+4e_。还原产物与O2被致密的固体氧化物电解质膜分开，从而可以实现燃料和氧气的联产。目前，SOFC与SOEC的材料体系基本上相同:具有萤石结构的含有8%(摩尔份数)Y2O3的稳定的ZrO2 (简称YSZ)材料由于在高温时具有良好的氧离子导电率和在还原、氧化气氛下的高稳定性，以及与之匹配的电极材料体系和制备工艺更为成熟，被认为是高温电解质的首选材料；Sr掺杂的钙钛矿LaMnO3 (简称LSM)多孔复合陶瓷由于在高温时具有良好的氧离子的氧化催化活性，并且与YSZ电解质机械性能和化学性质相兼容，是最常用的氧电极材料；N1-YSZ多孔复合陶瓷，由于具备电子导电率高、催化能力强、与电解池中相邻组分机械性能和化学性能相兼容等优点，是最常用的燃料电极材料。在以上材料体系下，不管是SOFC还是SOEC电极制备常米用催化剂_电解质材料复合粉体制备方法，一般为机械混合法和液相法，相械混合法直接将催化剂与电解质材料两种粉体球磨混合，虽然制备工艺简单，但存在催化剂和电解质之间的结合力差、分散不均匀等缺点。液相法主要包括共沉淀法、溶胶-凝胶法、缓冲溶液法等，这些方法虽然可以制备出精细、均匀的催化剂-电解质材料复合粉体或包覆粉体，但是仍然不能克服电解活化极化大、浓差极化大以及合成气转化率低等问题。多孔复合陶瓷电极的现状是以催化剂粉体(或前驱体溶液)与电解质粉体(或前驱体溶液)通过复合工艺制备而成的多孔复合陶瓷电极，无论是在阳极还是在阴极中催化剂与电解质材料的成分与孔隙均为无序分布状态，如图1所示。现有多孔陶瓷电极制备方法极易造成电极与集流体的电子通道、电极与电解质的氧离子通道、电极与流场的气体通道受阻，电极层中的催化剂/固体氧化物电解质/气体三相界面的边界长度短，造成氧分子的电还原或氧离子的电氧化反应主要发生在氧电极的局部区域内，同样原料气的电氧化或电还原反应主要发生在燃料电极的局部区域内，浓差极化和活化极化限制了动力学性能的提高。同时在长时间、大电流电解下，电极催化层与电解质层之间的结合界面容易恶化，导致性能衰减。 总之，在现有SOFC或SOEC结构中，阳极和阴极均是催化剂与电解质材料混合制备而成的多孔复合陶瓷，材料成分和微结构分布无序，电极与电解质之间存在有明显的界面。多孔复合陶瓷电极结构以及与电解质形成的界面不仅降低了电化学性能(能量损失主要表现为浓差极化和活化极化)，而且严重影响了长期稳定性以及寿命。
技术实现思路
针对现有技术不足，本专利技术提供了。，其具体步骤如下:( I)提供一多孔模板；(2)在步骤(I)中所述多孔模板的孔洞内形成具有离子导电性的固体氧化物棒；(3)提供一固体氧化物电解质膜，并将所述固体氧化物电解质膜的两侧分别与一个经过步骤(2)处理得到的孔洞内含有离子导电性固体氧化物棒的多孔模板相连，得到一层叠结构，预烧结所述层叠结构；(4)去除经过步骤(3)预烧结处理的所述层叠结构中的多孔模板，仅留下所述固体氧化物棒，所述固体氧化物棒的一端与所述固体氧化物电解质膜相连以使所述固体氧化物棒与所述固体氧化物电解质膜离子导通，获得有序化固体氧化物膜电极素坯，并经过在空气中高温烧结，增强所述有序化固体氧化物膜电极素坯的结构强度；(5)在经过步骤(4)处理的所述有序化固体氧化物膜电极素坯一侧的所述固体氧化物棒表面上制备多个阳极催化剂颗粒，并进行烧结；(6)在经过步骤(5)处理的所述固体氧化物膜电极素坯与其上阳极催化剂相对的另一侧所述固体氧化物棒的表面上制备多个阴极催化剂颗粒，并进行烧结，得到有序化固体氧化物膜电极；所述阳极催化剂颗粒和所述阴极催化剂颗粒分别均匀地附着在其对应的所述固体氧化物棒的表面，并且相邻所述阳极催化剂颗粒和相邻所述阴极催化剂颗粒之间紧密相连形成电子导通。所述多孔模板的孔洞呈阵列形式分布。所述多孔模板的孔洞直径为50纳米~50微米，厚度为500纳米~500微米。所述固体氧化物棒的材料为YSZ、GdaiCea9On La1^aSraGa1_bMgb03> Sm0 2Ce0 80L9>Ce0.sYojO1.9 或 Zr0.SScll2Oh9,其中 O = a = I,O = b = I。所述固体氧化物电解质膜的材料为YSZ、Gd0.!Ce0.90L95、La1cSr,Ga1dMgdO3>Sma2Cea8O本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有序化固体氧化物膜电极的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）提供一多孔模板；（2）在步骤（1）中所述多孔模板的孔洞内形成具有离子导电性的固体氧化物棒；（3）提供一固体氧化物电解质膜，并将所述固体氧化物电解质膜的两侧分别与一个经过步骤（2）处理得到的孔洞内含有离子导电性固体氧化物棒的多孔模板相连，得到一层叠结构，预烧结所述层叠结构；（4）去除经过步骤（3）预烧结处理的所述层叠结构中的多孔模板，仅留下所述固体氧化物棒，所述固体氧化物棒的一端与所述固体氧化物电解质膜相连以使所述固体氧化物棒与所述固体氧化物电解质膜离子导通，获得有序化固体氧化物膜电极素坯，并经过在空气中高温烧结，增强所述有序化固体氧化物膜电极素坯的结构强度；（5）在经过步骤（4）处理的所述有序化固体氧化物膜电极素坯一侧的所述固体氧化物棒表面上制备多个阳极催化剂颗粒，并进行烧结；（6）在经过步骤（5）处理的所述固体氧化物膜电极素坯与其上阳极催化剂相对的另一侧所述固体氧化物棒的表面上制备多个阴极催化剂颗粒，并进行烧结，得到有序化固体氧化物膜电极；所述阳极催化剂颗粒和所述阴极催化剂颗粒分别均匀地附着在其对应的所述固体氧化物棒的表面，并且相邻所述阳极催化剂颗粒和相邻所述阴极催化剂颗粒之间紧密相连形成电子导通。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王诚，刘同乐，郝思嘉，王建龙，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：