一种含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料及其制备方法以及应用技术

本发明专利技术公开了一种含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料及其制备方法。一种含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料，组分包括PrBa

【技术实现步骤摘要】
一种含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料及其制备方法以及应用


[0001]本专利技术属于SOFC阴极材料
，具体涉及一种含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料及其制备方法以及应用。

技术介绍

[0002]固体氧化燃料电池(SOFC)具有高转换效率、燃料广泛、绿色环保等优点，商业化应用逐步增加，但是传统燃料电池工作温度一般在800
‑
1000℃的高温下进行。工作温度过高导致了制造困难、成本高、运行不变、电池稳定性不足以及无法实现快速启动等问题。因此，人们希望降低SOFC的工作温度。但是现有的SOFC工作温度降低后，电解质欧姆电阻和电极极化电阻会增加，电化学性能显著降低。
[0003]另外，Co基MIEC作为常用的SOFC的阴极，通常具有钙钛矿结构，指Co位于ABO3的B位的钙钛矿结构材料，如Ln1‑
x
Ba
x
CoO3‑
δ
(LBC)、Sm
0.5
Sr
0.5
CoO3‑
δ
(SSC)、BaCo
0.4
Fe
0.4
Zr
0.1
Y
0.1
O3‑
δ
(BCFZY)和Ba
0.5
Sr
0.5
Co
0.8
Fe
0.2
O3–
δ
(BSCF)等，通常具有高的离子电子混合导电性和优异氧化还原反应(ORR)所需的电催化能力，是目前研究最多的阴极材料体系。
[0004]Co基钙钛矿具有较大的热膨胀系数(TEC在20
×
10
‑6K
‑1以上)，而电解质，如Sm
0.2
Ce
0.8
O
2+δ
(SDC)、BaZr
0.1
Ce
0.7
Y
0.2
O3‑
δ
(BZCY)等，热膨胀系数较小(TEC在(10
–
12)
×
10
‑6K
‑1)。这就导致了阴极和电解质的热膨胀系数差异明显，在实际应用中，阴极和电解质的界面热匹配性差，容易出现分层、孔洞等严重影响SOFC电化学性能和长期稳定性的问题。为了保留Co基MIEC的优异性能并降低其TEC，目前有几种方案：一种是用过渡族元素(如Fe、Cu、Ni、Mn，尤其是Fe)对钙钛矿结构的B(Co)位进行掺杂，如Ba
0.5
Sr
0.5
Co
0.8
Fe
0.2
O3‑
δ
(BSCF)、LnBaCo2‑
x
Fe
x
O
5+δ
(LBCF，Ln＝Nd，Gd)、PrBa
0.5
Sr
0.5
Co2‑
x
Fe
x
O
5+δ
等，另一种是将电极材料与电解质材料复合，如PrBa
0.5
Sr
0.5
Co2O
5+δ
–
Ce
0.9
Gd
0.1
O
1.95
(见文献纪媛,孟祥伟,吕世权.中温固体氧化物燃料电池PrBa
0.5
Sr
0.5
Co2O
5+δ
–
Ce
0.9
Gd
0.1
O
1.95
复合阴极的性能研究[J].吉林师范大学学报(自然科学版),2012,33(4):16
‑
18.)、La
0.4
Sr
0.6
Co
0.9
Sb
0.1
O3‑
δ
–
SDC、LaBaCoFeO
5+δ
–
SDC等。但是从理论上分析，这些方案只能够在一定程度上降低阴极的TEC，且囿于掺杂或复合的其他材料的含量的限制，不能从根本上将阴极的TEC控制在与电解质较为匹配的区间。
[0005]因此，需要给出一种利于降低工作温度、与电解质的热匹配性好的SOFC阴极材料。

技术实现思路

[0006]为了解决
技术介绍
中提出的问题，达到“给出一种利于降低工作温度、与电解质的热匹配性好的SOFC阴极材料”的目的，在前期基础上(一种含负热膨胀材料的新型复合阴极材料及其在制备SOFC方面的应用，蔡彬，卢飞，杨梦婕，晁明举，苏金瑞，何豪，刘洋，武常辉，贾旭升，申请号：202010235115.4)，本专利技术给出了一种含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料，其次给出了一种含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料的制备方法，最后
给出了一种含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料在SOFC单电池中的应用。
[0007]一种含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料，组分包括PrBa
0.5
Sr
0.5
Co2O
5+δ
、Sm
0.85
Zn
0.15
MnO3复合物，在本专利技术中称其为PBSC
‑
SZM。
[0008]自然界中，大多数材料具有热胀冷缩特性，但也有一些材料在一定温度范围内显示热缩冷胀性质，即负热膨胀(NTE)。负热膨胀材料与正热膨胀材料复合，可制备出可控热膨胀系数或零膨胀复合材料，具有重要研究和应用价值。根据导致热缩冷胀行为的内在机制，负热膨胀材料可分为本征负热膨胀和非本征负热膨胀材料。其中，本征负热膨胀材料是指在一定温度范围内晶格存在热缩冷胀现象的材料，而非本征负热膨胀材料的晶格并不存在热缩冷胀行为，其宏观热缩冷胀现象与材料孔隙率和制备过程等有关，也称为异常热膨胀材料。经大量试验，发现一种异常热膨胀钙钛矿氧化物：SZM(Sm
0.85
Zn
0.15
MnO3)(见文献Tang XB,Jiao YJ,Yang MJ,Chao MJ,Zhu YW,Chen R,Guo J.,Gao QL.,Liang EJ."Anomalous thermal expansion properties in perovskite Sm
0.85
Zn
0.15
MnO3."Solid State Ionics,344(2020)115139)，其负热膨胀温区(246
–
800℃)与SOFC工作温区(通常为500
‑
900℃)一致，且将SZM与PBSC粉体复配用作SDC(Sm
0.2
Ce
0.8
O
2+δ
)基O
‑
SOFC复合阴极时，不仅能提高单电池的热稳定性，还能显著提升本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料，其特征在于：组分包括PrBa
0.5
Sr
0.5
Co2O
5+δ
、Sm
0.85
Zn
0.15
MnO3复合物。2.如权利要求1所述的一种含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料，其特征在于：PrBa
0.5
Sr
0.5
Co2O
5+δ
的质量百分数wt1为70%
‑
90%，Sm
0.85
Zn
0.15
MnO3的质量百分数wt2为10%
‑
30%，wt1+wt2=100%。3.一种如权利要求1
‑
2任一项所述的含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：a.制备Sm
0.85
Zn
0.15
MnO3粉体：按照化学计量比称取相应的Sm氧化物、Zn氧化物、Mn氧化物，通过固态反应法制备Sm
0.85
Zn
0.15
MnO3粉体；b.制备PrBa
0.5
Sr
0.5
Co2O
5+δ
粉体：按照化学计量比称取相应的镨盐、钡盐、锶盐和钴盐，通过溶胶凝胶法制备制备PrBa
0.5
Sr
0.5
Co2O
5+δ
粉体；c.制得含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料：将Sm
0.85
Zn
0.15
MnO3粉体、PrBa
0.5
Sr
0.5
Co2O
5+δ
粉体研磨混匀，得到含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料。4.如权利要求3所述的一种含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料的制备方法，其特征在于：步骤a中的Sm氧化物为纯度99.9wt%以上的Sm2O3，Zn氧化物为纯度99%wt以上的ZnO，Mn氧化物为纯度99%wt以上的Mn2O3。5.如权利要求3所述的一种含异常热膨胀行为材料的SOFC复合阴极材料的制备方法，其特征在于：步骤a中，将Sm氧化物、Zn氧化物、Mn氧化物研磨1
‑
2h，再加入无水乙醇研磨1
‑
2h，随后干燥将无水乙醇除去，再以5℃/min的升温速度从室温加热到1000...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡彬，刘康，卢飞，贾旭升，李国军，李根，苏金瑞，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：