一种固体氧化物燃料电池阳极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种固体氧化物燃料电池阳极材料及其制备方法和应用，其化学式为Pr

【技术实现步骤摘要】
一种固体氧化物燃料电池阳极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池材料领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池阳极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]固体氧化物燃料电池(SOFC)是最有前途的技术之一，可将燃料中的化学能直接转化为电能而不受卡诺循环的限制。此外，其燃料适用范围广，在使用储量丰富的甲烷为燃料时，与其他碳氢化合物相比，甲烷中H/C比高，因此CO2排放量低。然而，甲烷中的强碳氢键使其电化学氧化动力学迟缓，因此，亟需发展具有足够催化活性的阳极材料。镍基金属陶瓷阳极面临高温烧结，以烃类为燃料时严重的积碳问题。而钙钛矿氧化物(ABO3)具有较高的抗积碳能力和耐硫性，能够成为有前途的替代材料。尽管如此，大多数钙钛矿阳极在还原气氛中的电导率或电催化活性仍然较低。
[0003]活性金属催化剂和具有混合离子
‑
电子电导的载体耦合是开发具有高催化活性和导电性的阳极材料的有效策略，其在许多化学和电化学过程中有着重要应用，如汽车尾气控制、合成气生成、固体氧化物电解池(SOEC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。然而，通过传统的外部沉积方法(如沉淀、气相沉积和浸渍)在氧化物载体中引入纳米颗粒，该过程耗时、成本高、难以控制纳米颗粒的尺寸和分布。而将催化金属原子在氧化气氛下掺入主体钙钛矿氧化物晶格，随后通过还原处理得到在载体上均匀分布的纳米颗粒，这种原位出溶制备方法能够克服上述缺点，目前受到了广泛关注。
[0004]最近，Ruddlesden
‑
Popper(RP)型层状钙钛矿由于其独特的结构和尺寸效应，而被作为催化剂深入研究。RP型层状钙钛矿La2NiO
4+δ
，GdSrCoO
4+δ
和NdSrCo1‑
x
Fe
x
O
4+δ
(Renewable Energy，2022，192：784
‑
792)已被开发为具有优异性能的用于中温SOFC的替代阳极材料。此外，RP型层状钙钛矿(Sr，La)3Fe2O7‑
δ
、SrTi2O7‑
δ
和La3Mn2O
7+δ
(Applied Catalysis B：Environmental，2019，248：147
‑
156)已被广泛用于烃的部分氧化或氧气分离的研究，因为它们具有高氧离子/电子电导，良好的高温稳定性。但传统的RP型层状钙钛矿制备技术需要非常严格的条件，如高烧结温度(≥1350℃)和长时间煅烧，钙钛矿存在很强的烧结倾向。因此，它们的比表面积和催化活性显著降低，极大地限制了它们的应用。
[0005]众所周知，催化剂的活性受载体结构的影响，如比表面积、孔结构以及金属
‑
载体相互作用等。采用胶晶模板法制备的三维有序大孔(3DOM)催化剂在氧化、电催化以及光催化等许多过程中都显示出良好的性能。Guo等人(Chemical Communications，2014，50(88)：13575
‑
13577)合成了具有大比表面积的Pd/3DOM LaMnO3自再生催化剂，分离出的Pd颗粒与LaMnO3基质之间有很强的相互作用，对甲烷燃烧具有很好的催化活性。Ruiz
‑
Morales等(Journal of Materials Chemistry，2006，16(6)：540
‑
542)分别以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球和聚苯乙烯(PS)微球为模板制备了Ni/3DOM
‑
YSZ阳极，其性能均高于传统的Ni
‑
YSZ阳极。然而，目前还没有关于三维有序大孔结构钙钛矿材料作为SOFC阳极的报道。
[0006]公开号为CN201910679940.0的中国专利技术专利，公开了一种固体氧化物燃料电池阳
极材料及其制备方法，所述的固体氧化物燃料电池阳极材料为氧化钆掺杂氧化铈包覆的钙钛矿型钛酸锶氧化物粉体，通过溶胶凝胶法，将30～50wt％的GDC包覆在钙钛矿阳极前驱粉体上。该专利技术的燃料电池阳极材料，通过混入GDC，提升了阳极材料的氧离子传导能力，使得阳极材料的三相界面面积提升，并且在还原气氛下结构稳定且具备高导电性及抗积碳，但是该专利制备的固体氧化物燃料电池阳极材料也并不具备三维有序大孔结构。
[0007]鉴于此，亟需通过调控阳极形貌结构和活性金属位点分布特征，发展一种具有高催化活性、稳定性强的SOFC钙钛矿阳极材料。不仅有助于提高阳极在碳氢燃料气氛下的抗积碳能力，而且可以显著增强燃料电化学氧化的催化活性，因此具有十分重要的意义。

技术实现思路

[0008]针对上述技术问题，本专利技术提供一种多孔结构的固体氧化物燃料电池阳极材料及其制备方法，利用简单易行、成本低廉的胶晶模板法，获得具有三维有序大孔结构的Pr
0.4
Sr
0.6
Ni
0.9
‑
x
Fe
x
Mo
0.1
O3‑
δ
阳极材料，x的取值范围为0≤x≤0.3。通过氢气气氛处理，原位出溶形成具有纳米颗粒均匀分布的三维有序大孔结构钙钛矿阳极材料，以解决现有固体氧化物燃料电池稳定性差、催化活性不足等问题。
[0009]技术方案：
[0010]本专利技术公开一种固体氧化物燃料电池阳极材料，化学式为Pr
0.4
Sr
0.6
Ni
0.9
‑
x
Fe
x
Mo
0.1
O3‑
δ
，x的取值范围为0≤x≤0.3，δ为氧空位含量，0≤δ≤0.15。x可以取值为上述范围内的任意一个数值，如0.1、0.2、0.3、0.5、0.8、0.9等。δ可以取值为上述范围中的任意一个，如0.05、0.1、0.11、0.15等。
[0011]优选的是，所述固体氧化物燃料电池阳极材料以具有多孔结构的Pr
0.4
Sr
0.6
Ni
0.9
‑
x
Fe
x
Mo
0.1
O3‑
δ
为载体，以析出的活性金属纳米颗粒作为活性组分。
[0012]上述任一方案中优选的是，析出的活性金属纳米颗粒为Ni
‑
Fe合金。
[0013]上述任一方案中优选的是，多孔结构为活性金属纳米颗粒析出的三维有序大孔结构，孔径范围为170
‑
200nm。孔径可以为170nm，180nm，190nm，200nm。
[0014]本专利技术还公开一种固体氧化物燃料电池阳极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0015]步骤(1)、按照摩尔比将Pr(NO3)3·
6H2O、Sr(NO3)2、Fe(NO3)3·
9H2O、Ni(NO3)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种固体氧化物燃料电池阳极材料，其特征在于，化学式为Pr
0.4
Sr
0.6
Ni
0.9
‑
x
Fe
x
Mo
0.1
O3‑
δ
，x的取值范围为0≤x≤0.3，δ为氧空位含量，0≤δ≤0.15。2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池阳极材料，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池阳极材料以具有多孔结构的Pr
0.4
Sr
0.6
Ni
0.9
‑
x
Fe
x
Mo
0.1
O3‑
δ
为载体，以析出的活性金属纳米颗粒作为活性组分。3.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池阳极材料，其特征在于，析出的活性金属纳米颗粒为Ni
‑
Fe合金颗粒。4.根据权利要求2所述的固体氧化物燃料电池阳极材料，其特征在于，多孔结构为活性金属纳米颗粒析出的三维有序大孔结构。5.一种固体氧化物燃料电池阳极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)、按照摩尔比将Pr(NO3)3·
6H2O、Sr(NO3)2、Fe(NO3)3·
9H2O、Ni(NO3)3·
6H2O和(NH4)6Mo7O
24
·
4H2O溶解，得到混合阳离子溶液；步骤(2)、将表面活性剂加入步骤(1)所得混合阳离子溶液中，形成前驱体溶液；步骤(3)、在步骤(2)所得的前驱体溶液中浸泡聚甲基丙烯酸甲酯硬模板；步骤(4)、将步骤(3)中获得的湿PMMA模板干燥后煅烧；将步骤(5)、将步骤(4)所得煅烧后的前驱体粉末还原处理，得到具有纳米颗粒出溶的三维有序大孔结构的Pr
0.4
Sr
0.6
Ni
0.9
‑
x
Fe

【专利技术属性】
技术研发人员：甘甜，韩羽君，盛彬，刘政昊，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：