【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于固体燃料电池，具体涉及一种多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体及其制备方法。
技术介绍
1、固体燃料电池的电解质为固态、无空隙的金属氧化物，由氧离子在晶体中穿梭送达离子；因其整个发电过程为电化学反应，无需经过燃料燃烧，因此无卡诺循环的限制，理论上转化效率可以达到85%-90%以上。与其他燃料电池相比，固体燃料电池还具有功率密度高、燃料适应性强、全固态结构、设备简单等优点。氧化锆具有优良的离子导电性和抗高温老化性，能够在高温下保持较高的离子传导效率，因而成为固体燃料电池电解质的首选材料。与此同时，正因为氧化锆粉体是构成固体燃料电池电解质的主要成分，其质量和性能对电池整体性能具有重要影响，而氧化锆由于马氏体相变特性使其在温度变化时会产生可逆的相结构转变，过程中会导致对应的体积变化，难以制成致密薄膜。
2、固体燃料电池理想的电解质是致密的纯氧离子导体，要求具有高的氧离子导电性和尽可能低的电子导电性，在还原和氧化气氛中均能保持良好的物理化学和结构稳定性。向氧化锆中掺杂合适氧化物作为稳定剂，使其与氧化锆形成固溶体和复合体从而改变晶体内部结构，是改善不稳定氧化锆的有效手段。目前，大部分固体燃料电池采用氧化钇稳定的氧化锆作为电解质材料，但氧化钇对氧化锆的氧离子电导率和致密度提升有限；而不同种类、含量的掺杂氧化物对氧化锆粉体的性能影响大不相同，其对应的制备工艺也同样是影响所得氧化锆粉体性能的关键因素；基于此，研究制备一种多元复合掺杂氧化锆粉体对制备高性能固体燃料电池具有重要意义。
技术实现
1、针对
技术介绍
所提问题，本专利技术的目的在于提供一种多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体及其制备方法。本专利技术方法通过优化氧化锆粉体的复合掺杂氧化物体系种类、用量及对应煅烧工艺，制备得到一种电导率高稳定性好的优质氧化锆粉体，满足多种固体燃料电池电解质的高性能需求。
2、为达成上述目的，本专利技术具体采用如下技术方案：
3、本专利技术提供一种多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体的制备方法，包括如下步骤：
4、步骤1）：将氧氯化锆与稳定剂可溶盐、复合添加剂混合，加水同时加热水解，得到混合液，持续搅拌并调节ph，过滤、清洗、干燥得到混合粉a备用；所述稳定剂可溶盐为氯化钪或硝酸钪，复合添加剂由铈盐、铝盐、铋盐、钆盐组成；
5、步骤2）：另取氧氯化锆与碳纳米管、有机框架混合，加至乙醇溶液中搅匀，调节乙醇混合液ph后升温静置，随后真空抽滤、洗涤，将所得混合物干燥后，得到改性混合物，将所得改性混合物与氧化钇、氧化钙、氧化镁混合研磨，得到混合粉b备用；
6、步骤3）：将混合粉a与混合粉b研磨混合，于1000-1080℃条件下进行高温煅烧，随后冷却至740-820℃控温煅烧，最后经湿磨、喷雾干燥得到多元复合掺杂的纳米氧化锆粉体。
7、进一步地，步骤1）中按摩尔百分比计，各原料的添加量为氧氯化锆86.8%-89.0%、稳定剂可溶盐5.6%-9.4%、铈盐1.45%-1.94%、铝盐1.0%-1.2%、铋盐1.42%-1.90%、钆盐0.03%-0.10%；所述铈盐、铝盐、铋盐、钆盐为氯化物或硝酸盐。
8、进一步地，步骤1）中加热水解的温度为50-65℃，水解所得混合液通过滴加氨水调节ph至8.0-8.8。
9、进一步地，步骤2）中氧氯化锆、碳纳米管和有机框架混合的质量比为100:(4-8):(0.3-0.6)，有机框架优选锆基金属有机框架uio-66zr。
10、进一步地，步骤2）中乙醇混合液通过滴加氢氧化钠调节ph至10-11，随后于50-65℃下保温静置8-12 h。
11、进一步地，步骤2）中按摩尔百分比计，氧氯化锆与氧化钇、氧化钙、氧化镁的添加量为：氧氯化锆87.2%-90.5%、氧化钇6.60%-14.2%、氧化钙1.15%-1.70%、氧化镁0.80%-1.25%。
12、进一步地，步骤3）中混合粉a与混合粉b混合的质量比为(6.5-8):(2-3.5)。
13、进一步地，步骤3）中高温煅烧的升温速率控制为2-4℃/min，高温煅烧时间为2-3h；随后冷却的降温速率控制为8-10℃/min，冷却后控温煅烧时间为10-12 h。
14、对于氧化锆粉体相结构转变引起的体积效应，目前实际应用中主要通过向氧化锆中添加与锆离子半径尺寸差别较大的金属离子氧化物（如y2o3）作为稳定剂。随着人们对固体燃料电池性能要求的逐渐提高，常规单一稳定剂掺杂氧化锆粉体已然无法满足使用需求，而添加掺杂不同种类、含量的氧化物对氧化锆粉体的影响差异显著，因此，多元复合掺杂就成为制备性能更加完善的固体燃料电池用氧化锆粉体的更优选择。但与此同时，不同添加剂因性质差异、与氧化锆晶格结构不匹配等又会造成界面相容性显著降低进而影响氧化锆粉体的整体稳定及其他性能。本专利技术优选氧化物种类及摩尔配比，一方面以钪作为主要稳定剂，同时采用铈盐、铝盐、铋盐、钆盐作为复合添加剂构建初始掺杂体系，与氧氯化锆进行加热水解；另一方面首先采用碳纳米管与有机框架对氧氯化锆进行改性，再将改性混合物与氧化钇、氧化钙、氧化镁混合作为组合掺杂体系；将两种掺杂体系按比例混合后通过两步煅烧工艺制得多元复合掺杂氧化锆粉体。本专利技术所选复合掺杂体系能够有效抑制氧化锆的高温相变，稳定立方相同时避免低温相出现，保持其结构完整、稳定，促进致密化，有助于提高电导率；碳纳米管及有机框架的协同改性则能够促进掺杂氧化物与氧化锆粉体的均匀分散，防止团聚，配合本专利技术两步煅烧工艺显著改善了氧化锆粉体掺杂体系间的相容性，进一步提高了电导率和稳定性。
15、本专利技术的有益效果是：
16、本专利技术克服了现有单一掺杂氧化锆粉体的局限不足，制备了一种多元复合掺杂氧化锆粉体，该纳米氧化锆粉体具有较高的氧离子电导率以及在高温的环境中能够保持优异的稳定性，满足多种固体燃料电池电解质的高性能需求，具有良好的市场竞争力。
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1.一种多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，步骤1）中按摩尔百分比计，各原料的添加量为氧氯化锆86.8%-89.0%、稳定剂可溶盐5.6%-9.4%、铈盐1.45%-1.94%、铝盐1.0%-1.2%、铋盐1.42%-1.90%、钆盐0.03%-0.10%；所述铈盐、铝盐、铋盐、钆盐为氯化物或硝酸盐。
3.根据权利要求1所述多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，步骤1）中加热水解的温度为50-65℃，水解所得混合液通过滴加氨水调节pH至8.0-8.8。
4.根据权利要求1所述多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，步骤2）中氧氯化锆、碳纳米管和有机框架混合的质量比为100:(4-8):(0.3-0.6)，所述有机框架为锆基金属有机框架UIO-66Zr。
5.根据权利要求1所述多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，步骤2）中乙醇混合液通过滴加
6.根据权利要求1所述多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，步骤2）中按摩尔百分比计，氧氯化锆与氧化钇、氧化钙、氧化镁的添加量为：氧氯化锆87.2%-90.5%、氧化钇6.60%-14.2%、氧化钙1.15%-1.70%、氧化镁0.80%-1.25%。
7.根据权利要求1所述多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，步骤3）中混合粉A与混合粉B混合的质量比为(6.5-8):(2-3.5)。
8.根据权利要求1所述多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，步骤3）中高温煅烧的升温速率控制为2-4℃/min，高温煅烧时间为2-3 h；随后冷却的降温速率控制为8-10℃/min，冷却后控温煅烧时间为10-12 h。
9.一种如权利要求1-8任一项所述方法制备的多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体。
...【技术特征摘要】
1.一种多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，步骤1）中按摩尔百分比计，各原料的添加量为氧氯化锆86.8%-89.0%、稳定剂可溶盐5.6%-9.4%、铈盐1.45%-1.94%、铝盐1.0%-1.2%、铋盐1.42%-1.90%、钆盐0.03%-0.10%；所述铈盐、铝盐、铋盐、钆盐为氯化物或硝酸盐。
3.根据权利要求1所述多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，步骤1）中加热水解的温度为50-65℃，水解所得混合液通过滴加氨水调节ph至8.0-8.8。
4.根据权利要求1所述多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体的制备方法，其特征在于，步骤2）中氧氯化锆、碳纳米管和有机框架混合的质量比为100:(4-8):(0.3-0.6)，所述有机框架为锆基金属有机框架uio-66zr。
5.根据权利要求1所述多元复合掺杂的固体燃料电池用氧化锆粉体...
【专利技术属性】
技术研发人员：印士伟，陈云霞，
申请(专利权)人：景德镇万微新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：
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