專利名稱：一種中溫固體氧化物燃料電池陰極材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中溫固體氧化物燃料電池陰極材料及其制備方法，屬于化學(xué)電源 固體氧化物燃料電池材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
固體氧化物燃料電池(SOFC)以其高效、潔凈和對多種燃料的廣泛適應(yīng)性而具有 廣泛的市場應(yīng)用前景。常規(guī)的固體氧化物燃料電池陰極材料的工作在800-100(TC，如此 高的溫度，使電極材料和連接體材料的選擇范圍受到限制。因此，降低電池的工作溫度 (650-800°C)成為SOFC發(fā)展的必然所趨。但是工作溫度的降低，導(dǎo)致電解質(zhì)的歐姆極化以 及電極的活化極化損失增加，嚴(yán)重影響了電池的性能。傳統(tǒng)的高溫固體氧化燃料電池陰極 材料LahSrxMnO3 (LSM)由于其在較低的溫度下較低的電導(dǎo)率和催化活性不再使用于中低溫 固體氧化物燃料電池。含鈷的鈣鈦礦(ABO3)LSCF IAl6Sra4C0a2Fea8CVs(LSCF)陰極界面極 化電阻比LSM低10倍，可以作為潛在的中低溫固體氧化物燃料電池陰極材料，但是其熱膨 脹系數(shù)較高，同時化學(xué)穩(wěn)定性不好，高溫下與電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。B^l6Sra4C0a8Fea2CVs 作為陰極的電池的電化學(xué)性能得到提高，但是中低溫下電導(dǎo)率較低，在陰極材料性能不足 的條件下，制備出新的中溫固體氧化物燃料電池陰極材料成為電池發(fā)展的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型的中溫固體氧化物燃料電池(SOFC)陰極材料及 其制備方法。所制備的材料用作中溫固體氧化物燃料電池陰極材料。本發(fā)明提供的一種新型中溫固體氧化物燃料電池(SOFC)陰極材料，其特征在于， 陰極材料分子式為(PivxSrx)202S04_s (0 < χ < 0. 1)。本發(fā)明提供的一種SOFC的陰極材料的制備方法，其特征在于，將金屬硝酸 鹽、溶解到去離子水中，然后加入氨水，在水浴鍋中反應(yīng)，將最終的反應(yīng)產(chǎn)物煅燒，得到 (Pr1^xSrx) 202S04_5陰極材料，包括以下反應(yīng)步驟(a)按照化學(xué)計(jì)量摩爾比(1-x) χ稱取ft·硝酸鹽和Sr硝酸鹽溶于去離子水中 制成金屬離子前軀體溶液，其中0 < χ < 0. 1 ；(b)向金屬離子前軀體中加入表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDQ作為硫源，溶液 中金屬離子和SDS的摩爾比為1:2;(c)用氨水調(diào)節(jié)pH約為11 ；(d)將溶液置于水浴中以40°C恒溫加熱lh，再將溫度升到50°C恒溫攪拌加熱IOh ； 再將反應(yīng)溶液用蒸餾水洗滌抽濾，并于80°C真空干燥，研磨得到前軀體；(e)前軀體在空氣氣氛1000°C下煅燒5h，得到(Pr1^xSrx)202S04_5粉體(0 < χ < 0. 1)。本發(fā)明的有益之處在于1)用模板法制備鍶取代的(PrhSrx)2ASCVs的材料與固相方法相比可以降低能耗，并且摻雜發(fā)生在分子級水平更有利于取代，摩爾比更容易控制，產(chǎn)物更純；2)表面活性劑的加入，一方面可以指導(dǎo)合成特殊形貌的陰極材料，另一方面可以 使反應(yīng)條件更溫和。特殊的形貌更有利于氧還原的進(jìn)行，從而提高電化學(xué)性能；3)制備的摻鍶的(PrhSrx)2ASCVs陰極材料的在室溫下的電導(dǎo)率提高；4)本發(fā)明制備工藝簡單，設(shè)備簡單，便于操作，能耗低。


圖1是所發(fā)明材料的XRD圖；圖2是所發(fā)明材料的衍射峰變化的XRD圖；圖3是所發(fā)明材料的SEM圖；圖4是所發(fā)明材料的(PrhSrx)2ASCVs室溫的電導(dǎo)率曲線圖。
具體實(shí)施例方式對比例1未摻雜的I^r2O2SO4陰極材料的合成稱取4. 1076gPr (NO3)3 · 6Η20，5· 4440g 十二烷基硫酸鈉(SDS)，19mlNH3 · H2O0 將 鐠硝酸鹽加到盛有IOml蒸餾水的燒杯中，再加入SDS，并用氨水調(diào)節(jié)pH約為11。然后將 其放入到40°C水浴鍋中加熱保溫lh，然后升溫至50°C后加熱保溫10h，并不斷攪拌。反應(yīng) 完畢后，抽濾洗滌，80°C的真空干燥箱中烘12h，得到的前軀體，最后將前軀體在空氣氣氛下 IOOO0C 5h，得到所需的Pr2ASO4陰極材料。Pr2ASO4的XRD測試結(jié)果如圖1所示，結(jié)果顯示 未出現(xiàn)雜峰。衍射峰的變化，如圖2所示。所得粉體的SEM測試結(jié)果如圖3所示，結(jié)果顯示， 顆粒比較大，室溫下的電導(dǎo)率測試結(jié)果如圖4所示，未摻鍶的電導(dǎo)率較低。實(shí)施例IPr位摻雜的(PrQ. 98Sr0.02 ) 2 02 S04_s陰極材料的合成稱取4. 0245gPr (NO3) 3 · 6H20，0. 0406gSr (NO3)2, 5. 4440g 十二烷基硫酸鈉(SDS)， 19mlNH3 -H2O0將鐠鹽和鍶鹽加到盛有IOml蒸餾水的燒杯中，再加入SDS，并用氨水調(diào)節(jié)pH 約為11。然后將其放入到40°C水浴鍋中加熱保溫lh，然后升溫至50°C后加熱保溫10h，并 不斷攪拌。反應(yīng)完畢后，抽濾洗滌，80°C的真空干燥箱中烘12h，得到的前軀體，最后將前軀 體在空氣氣氛下10001釙，得到所需的(Pra98Sratl2)2O2SCVs陰極材料。(Pra98Sratl2)2O2SCVs 的XRD測試結(jié)果如圖1所示，測定結(jié)果表明Sr的摻雜并沒有雜峰出現(xiàn)。摻雜少量的半徑較 大的Sr取代ft·位，導(dǎo)致衍射峰向小角度偏移，如圖2所示。所得粉體的SEM測試結(jié)果如圖 3所示，從圖中可已看出，顆粒變小，同時顆粒由顆粒堆積成孔，有利于氧離子的傳輸。室溫 下的電導(dǎo)率測試結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示電導(dǎo)率較未摻雜之前略有增加，與XRD圖相對 應(yīng)。實(shí)施例2ft·位摻雜的(PrQ. 97Sr0.03) 202S04_s陰極材料的合成稱取3. 9828gPr (NO3) 3 · 6H20，0. 0598gSr (NO3)2, 5. 4451g 十二烷基硫酸鈉(SDS)， 19mlNH3 -H2O0將鐠鹽和鍶鹽加到盛有IOml蒸餾水的燒杯中，再加入SDS，并用氨水調(diào)節(jié)pH 約為11。然后將其放入到40°C水浴鍋中加熱保溫lh，然后升溫至50°C后加熱保溫10h，并 不斷攪拌。反應(yīng)完畢后，抽濾洗滌，80°C下真空干燥12h，得到的前軀體，最后將前軀體在空 氣氣氛下10001: ，得到產(chǎn)物所需的(Pra97Sratl3)2O2SCVs陰極材料。(Pra97Sratl3)2O2SCV的 XRD測試結(jié)果如圖1所示，結(jié)果表明Sr的摻雜并沒有雜峰出現(xiàn)。隨著進(jìn)一步增加Sr的摻雜量，衍射峰繼續(xù)向小角度偏移，如圖2所示，所得粉體的SEM測試結(jié)果如圖3所示，從圖中可 以看出，顆粒達(dá)到最小，由納米片堆積成的孔，有利于氧離子的傳輸，從而提高電化學(xué)性能。 室溫下的電導(dǎo)率測試結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示電導(dǎo)率又有明顯的增加，較未摻雜之前提 高了 5倍，與XRD圖相對應(yīng)。實(shí)施例3ft·位摻雜的(PrQ. 94Sr0.06) 202S04_ δ的陰極材料合成稱取3. 8602gPr (NO3) 3 · 6H20，0. 1196gSr (NO3)2, 5. 4454g 十二烷基硫酸鈉(SDS)， 19mlNH3 -H2O0將鐠鹽和鍶鹽加到盛有IOml蒸餾水的燒杯中，再加入SDS，并用氨水調(diào)節(jié)pH 約為11。然后將其放入到40°C水浴鍋中加熱保溫1，然后升溫至50°C后加熱保溫10h，并不 斷攪拌。反應(yīng)完畢后，洗滌抽濾，在80°C的真空干燥箱中干燥12h，得到前軀體，最后將得到 的前軀體在空氣氣氛下1000°C煅燒釙，得到所需產(chǎn)物。(Pra94Sratl6)2O2SCVs的XRD測試結(jié) 果如圖1所示，結(jié)果表明Sr的摻雜并沒有雜峰出現(xiàn)。但是衍射峰開始向大角度偏移，如圖2 所示，所得粉體的SEM測試結(jié)果如圖3所示，結(jié)果顯示，納米片粒子開始變大。室溫下的電 導(dǎo)率測試結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示電導(dǎo)率有下降趨勢，但與未摻雜相比提高了，與XRD圖 相對應(yīng)。實(shí)施例4ft·位摻雜的(Pra92Sratl8)2O2SCVs的陰極材料合成稱取3. 7783gPr (NO3) 3 · 6H20,0. 1592g Sr (NO3)2, 5. 4454g 十二烷基硫酸鈉(SDS)， 19mlNH3 -H2O0將鐠鹽和鍶鹽加到盛有IOml蒸餾水的燒杯中，再加入SDS，并用氨水調(diào)節(jié)pH 約為11。然后將其放入到40°C水浴鍋中加熱保溫lh，然后升溫至50°C后加熱保溫10h，并 不斷攪拌。反應(yīng)完畢后，洗滌抽濾，在80°C的真空干燥箱中干燥12h，得到前軀體，最后將得 到的前軀體在空氣氣氛下1000°C煅燒5h，得到產(chǎn)物(Pra92Sratl8)2O2SCVst5產(chǎn)物的XRD測試 結(jié)果如圖1所示，結(jié)果表明Sr的摻雜并沒有雜峰出現(xiàn)。衍射峰繼續(xù)向小角度偏移，如圖2 所示，所得粉體的SEM測試結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，鍶含量較高時，顆粒變大。室 溫下的電導(dǎo)率測試結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示電導(dǎo)率繼續(xù)下降，但總體與未摻雜之前相比 提高，與XRD圖相對應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種中溫固體氧化物燃料電池陰極材料，其特征在于，陰極材料分子式為 (PiVxSrx)202S04_s，0 < χ < 0. 1。
2.—種SOFC的陰極材料的制備方法，其特征在于，將金屬硝酸鹽溶解到去離子水中， 然后加入氨水，在水浴鍋中反應(yīng)，將最終的反應(yīng)產(chǎn)物煅燒，得到(ftvxSrx)202S04_s陰極材料， 包括以下反應(yīng)步驟(a)按照化學(xué)計(jì)量摩爾比(1-x) χ稱取ft·硝酸鹽和Sr硝酸鹽溶于去離子水中制成 金屬離子前軀體溶液，其中0 < χ < 0. 1 ；(b)向金屬離子前軀體中加入表面活性劑十二烷基硫酸鈉(SDQ作為硫源，溶液中金 屬離子和SDS的摩爾比為1 2;(c)用氨水調(diào)節(jié)pH為11；(d)將溶液置于水浴中以40°C恒溫加熱lh，再將溫度升到50°C恒溫攪拌加熱IOh；再 將反應(yīng)溶液用蒸餾水洗滌抽濾，并于80°C真空干燥，研磨得到前軀體；(e)前軀體在空氣氣氛1000°C下煅燒釙，得到(ftvxSrx)202S04_s粉體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中溫固體氧化物燃料電池陰極材料及其制備方法，屬于化學(xué)電源固體氧化物燃料電池材料領(lǐng)域。所述陰極材料分子式為(Pr1-xSrx)2O2SO4-δ。制備方法包括按照化學(xué)計(jì)量比將Pr和Sr硝酸鹽溶于去離子水制成前軀體溶液，并向前軀體溶液加入十二烷基硫酸鈉SDS作為硫源并用氨水調(diào)節(jié)pH為11，將溶液置于40℃恒溫水浴加熱1h，再將溫度升到50℃恒溫攪拌加熱10h；反應(yīng)溶液用蒸餾水洗滌抽濾，并于80℃真空干燥，研磨得到前軀體；前軀體在空氣氣氛1000℃下煅燒5h，得到(Pr1-xSrx)2O2SO4-δ粉體。本發(fā)明陰極材料的在室溫下的電導(dǎo)率提高，特殊的形貌更有利于氧還原的進(jìn)行。
文檔編號H01M4/90GK102136582SQ20111004156
公開日2011年7月27日 申請日期2011年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月21日
發(fā)明者劉淑珍, 劉雅敏, 夏定國, 沈雪玲 申請人:北京工業(yè)大學(xué)