一种YSZ表面高分散镍-氧化硅颗粒的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种在YSZ颗粒表面制备高分散镍

【技术实现步骤摘要】
一种YSZ表面高分散镍
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氧化硅颗粒的制备方法


[0001]本专利技术涉及能源材料领域，公开了一种在YSZ颗粒表面沉积高分散镍
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氧化硅颗粒的方法。

技术介绍

[0002]能源危机和环境污染的日趋严重使得发展燃料电池技术具有重大的意义。固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种全固态能源转换装置，可利用清洁能源实现持续高效的能量输出。其中，燃料适应性强是SOFC最突出的优势之一，除氢气之外，各种碳氢化合物均可作为燃料进行工作。SOFC电池的性能与阳极材料的微观结构息息相关。SOFC阳极侧通常发生如下电化学反应：燃料气扩散到阳极后，与电解质输送的氧离子发生电化学氧化反应，产生的电子和产物则需要及时输送出阳极。因此反应活性区是一个多相界面，即所谓的三相界面(TPB)，该界面一般被定义为氧离子导体(电解质)、电子导电金属相和气体相汇集的集合位置。因而阳极材料需要对燃料气具有良好的氧化催化活性、同时具有较好的电子导电性，反应时能够快速实现电荷交换。为了使燃料气能够顺利扩散到电极处参与反应并将产生的水移走，阳极材料还必须具有多孔结构。此外，阳极材料必须耐高温，能够适应从室温到高温的热循环，还要有合适的力学、热学性能和化学相容性，以匹配SOFC电池其他元部件。
[0003]综合成本与性能考量，目前阳极中最常使用的材料是Ni
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YSZ金属陶瓷。YSZ不仅能够作为支架限制Ni金属晶粒的增长和团聚，保持Ni的分散性和阳极多孔性；还可以提供氧离子电导，使阳极的电化学反应活性区域得到扩展。但是，金属陶瓷仍不能满足理想阳极的所有要求。在长时间的高温水热循环后，Ni颗粒会严重团聚，三相反应界面减少，严重影响阳极的功率密度。当采用碳氢化合物作为燃料时，碳氢化合物会在表面热解形成致密的炭层，阻碍燃料气与的接触，破坏阳极的多孔性，并最终影响电池性能。
[0004]不少研究组通过各种方式改善Ni
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YSZ金属陶瓷的结构，使其对燃料气有更好的适应性，并在长时间高温水热循环中有良好的性能表现。目前常用的方法主要包括直接浸渍法、水热法、共沉淀法以及原位溶出技术。Jiang等采用离子浸渍法，向Ni/YSZ电极中浸渍YSZ以及SDC，在800℃的湿氢气气氛下，当电极浸渍YSZ后，其界面电阻(RE)减少到1.62Ω
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cm2；而浸渍SDC后，RE进一步减少为0.76Ω
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cm2；进一步增加SDC的浸渍量后，RE仅有0.24Ω
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cm2。姚雪利首次采用一步水热法成功合成了HT
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NiO
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SDC复合阳极材料，HT
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70mol.％NiO
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30mol.％SDC为阳极材料，复合电解质支撑的单电池在700℃，以氢气和甲醇为燃料的最大功率密度分别为738mW/cm2和600mW/cm2。Myung等人通过电化学极化使得Ni颗粒在LCNT上原位溶出，该电极结构在900℃加湿氢气中，电流密度可达到2W/cm2，且在150小时的测试中，Ni颗粒的纳米结构和相应电化学活性均没有降低。
[0005]根据文献研究显示，Si与Ni之间存在强相互作用，Si与Zr可在高温下形成ZrSiO4，同时层状硅酸盐可在金属Ni粒子上表现出锚固作用，使得Ni在高温下具备抗烧结性质。大部分液相制备技术无法精确控制各掺杂元素的大小和均匀性，且流程繁琐、容易引入杂质。基于此，我们提出一种在低温下在Ni/YSZ颗粒表面化学气相沉积无定形SiO2的技术，以
SiCl4为Si的前驱体，在常温下与YSZ颗粒的表面氧化镍的羟基反应形成均匀无定形SiO2薄膜，该SiO2薄膜经过1400℃高温煅烧后，与氧化镍一起变成球形小颗粒均匀分散在YSZ骨架上，有效抑制了Ni在电池水热循环中的团聚情况，同时提高电流密度。

技术实现思路

[0006]本专利技术公开了一种在YSZ颗粒表面沉积高分散镍
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氧化硅复合物的方法，既能有效提高Ni颗粒在YSZ表面的均匀分散性，又能抑制其在高温循环水热环境下的团聚情况。本专利技术采用的技术方案主要为：将氧化镍负载在YSZ颗粒表面，以易挥发、易水解的SiCl4为前驱体，利用化学气相沉积的方法，在低温下与Ni/YSZ颗粒的表面羟基反应形成一层氯化硅膜层，经水解反应处理以及烘干后在Ni/YSZ颗粒表面生成均匀、致密的无定形SiO2薄膜，该薄膜与YSZ表面的氧化镍组分紧密接触，经1400℃煅烧，可在Ni/YSZ颗粒表面获得均匀分散的硅
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氧化硅复合物，该复合物在SOFC使用时还原得到高分散的单质Ni颗粒，提高电池的稳定性和放电性能。
[0007]本专利技术是通过如下技术手段实现的：
[0008]本专利技术公开了一种在YSZ颗粒表面沉积高分散镍
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氧化硅复合物的方法，包括：
[0009]浸渍处理；
[0010]化学气相沉积；以及
[0011]煅烧处理。
[0012]具体包括：
[0013](1)YSZ表面浸渍Ni：
[0014]采用商业化的YSZ颗粒，以六水硝酸镍作为镍源，按照Ni:YSZ质量比为0.01～0.1，采用等体积浸渍法将镍负载在YSZ表面，浸渍时间为12～24h。浸渍完成后采用真空干燥，真空度不低于0.08MPa，干燥温度不低于60℃，时间不低于6h。
[0015](2)Ni/YSZ颗粒合成：
[0016]将干燥后的硝酸镍浸渍的YSZ进行煅烧，煅烧温度为200～300℃，煅烧时间不低于4h。
[0017](3)Ni/YSZ干燥处理：
[0018]将制备好的Ni/YSZ颗粒在120℃下干燥2h，以进一步除去Ni/YSZ颗粒表面吸附水。
[0019](4)沉积前准备：
[0020]取干燥后的Ni/YSZ颗粒均匀分散在密封容器中，颗粒样品铺展厚度不大于2mm。所述密封容器具有液体样品注射口、抽真空接口、加热功能和密封垫圈。取一定量的SiCl4通过样品注射口进入密封容器的样品瓶，并进行抽真空。所述SiCl4用量与Ni/YSZ的质量比为0.01～0.1，真空度不低于0.08MPa。
[0021](5)气相沉积：
[0022]将密封容器完全密封后，控制密封容器恒温反应，温度为50～70℃，反应时间为10～30min。结束后将密封容器进一步抽真空，真空度不低于0.08MPa，排出的气体通过NaOH溶液除去SiCl4。
[0023](6)表面水解：
[0024]向密封容器中通入空气至常压，所述空气的湿度为30％～70％，利用水蒸气进行
水解反应，时间为30～60min。反应结束后，取出Ni/YSZ颗粒，在105℃的烘箱中烘2h，获得SiO2包覆的Ni/YSZ颗粒。
[0025](7)煅烧：
[0026]得到的SiO2包覆的Ni/YSZ颗粒，在1400℃进行煅烧，得到高分散镍
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氧化硅颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在YSZ颗粒表面沉积高分散镍
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氧化硅颗粒的方法，包括：(1)制备Ni/YSZ颗粒：采用等体积浸渍法将镍负载在YSZ表面，浸渍完成后进行真空干燥、煅烧以及干燥处理，得到干燥Ni/YSZ颗粒备用；(2)沉积前准备：取干燥后的Ni/YSZ颗粒均匀分散在密封容器中，颗粒样品铺展厚度不大于2mm，取一定量的SiCl4注入密封容器的样品瓶中，并抽真空，完成沉积前准备；(3)气相沉积：将密封容器完全密封后，控制密封容器恒温反应，结束后将密封容器进一步抽真空，排出的气体通过NaOH溶液除去SiCl4；(4)水解、煅烧：向密封容器中通入空气至常压，利用水蒸气进行水解反应，反应结束后，取出Ni/YSZ颗粒，烘干后进行煅烧，即得到高分散镍
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氧化硅颗粒。2.根据权利要求1所述的沉积方法，其中：步骤(1)所述等体积浸渍法中采用的镍源为六水硝酸镍；所述Ni与YSZ的质量比为0.01～0.1:1；所述浸渍时间为12～24h。3.根据权利要求1所述的沉积方法，其中：步骤(1)所述真空干燥真空度不低于0....

【专利技术属性】
技术研发人员：吴可荆，钟山，鲁厚芳，梁斌，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：