固体氧化物燃料电池阴极材料及制备方法与固体氧化物燃料电池

摘要

本发明公开固体氧化物燃料电池阴极材料及制备方法与固体氧化物燃料电池。所述阴极材料的化学式为La0.6Sr0.4Co0.4Fe0.6‑xTaxO3，其中0.03≤x≤0.1；所述阴极材料的制备方法包括步骤：将前驱体混合并渗透到樟脑中，得到固溶体；将所述固溶体进行一次球磨，然后进行煅烧，得到黑色材料；将所述黑色材料进行二次球磨，然后进行热处理，得到多孔的所述阴极材料。本发明的阴极材料通过樟脑辅助固相反应法制备得到，具有很好的热、化学稳定性和氧催化还原性能，在800℃的面积比电阻为0.044Ω·cm2，其性能大约是未掺杂的La0.6Sr0.4Co0.4Fe0.6O3(LSCF)的2.2倍。

说明书

技术领域

本发明涉及阴极材料领域，尤其涉及一种固体氧化物燃料电池阴极材料及制备方法与固体氧化物燃料电池。

背景技术

镧锶钴铁氧体(LSCF)是一种钙钛矿结构阴极材料，其氧还原(ORR)活性通常以面积比电阻(ASR)的形式表征，已被广泛研究。目前报道的材料都表现出一定的ORR活性，大部分ASR≥0.150Ω·cm

为了提高LSCF的催化性能，人们采用了不同合成方法和掺杂策略来对材料进行改善，并且已获得具有较好ORR活性(ASR<0.1Ω·cm

然而，目前对二次元素掺杂到LSCF的B位点的研究较少。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种新的具有钙钛矿结构的阴极材料及制备方法与固体氧化物燃料电池，通过将少量的Ta掺杂到La

本发明的技术方案如下：

本发明的第一方面，提供一种固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，其中，所述阴极材料的化学式为La

将前驱体混合并渗透到樟脑中，得到固溶体；

将所述固溶体进行一次球磨，然后进行煅烧，得到黑色材料；

将所述黑色材料进行二次球磨，然后进行热处理，得到多孔的所述阴极材料。

可选地，所述一次球磨的工艺参数：在700～800rpm下球磨8～12h。

可选地，所述煅烧的工艺参数：在900～1000℃下煅烧4～6h。

可选地，所述二次球磨的工艺参数：在700～800rpm下球磨8～12h。

可选地，所述热处理的工艺参数：在700～800℃下热处理4～6h。

可选地，所述阴极材料的化学式为La

可选地，所述将前驱体混合并渗透到樟脑中的步骤，具体包括：将Sr前驱体、Co前驱体、Fe前驱体、La前驱体和Ta前驱体混合，并渗透到樟脑中。

本发明的第二方面，提供一种固体氧化物燃料电池阴极材料，其中，所述阴极材料的化学式为La

可选地，所述阴极材料呈颗粒状，所述颗粒的粒径为20-50nm。

本发明的第三方面，提供一种固体氧化物燃料电池，包括阴极，其中，所述阴极包括本发明所述的固体氧化物燃料电池阴极材料。

有益效果：本发明提供了一种新的具有钙钛矿结构的阴极材料，其化学式为La

附图说明

图1是本发明具体的实施例中的阴极材料的制备方法流程示意图和使用LSCFT-0材料作为NiO-YSZ/YSZ/GDC阳极支撑单电池的阴极在800℃时的电化学性能。

图2是与LSCF、LSCFT-0、LSCFT-1、LSCFT-2对应的La

图3是未掺杂Ta的LSCF和掺杂Ta的LSCFT材料的SEM图像，其中(a)和(c)是未掺杂Ta的LSCF形态的SEM图像，(b)和(d)是已掺杂Ta的LSCFT的代表性样品的SEM图像。LSCFT-0被用作掺杂材料的代表性样品。

图4是LSCFT-0材料的TEM图像。

图5是LSCFT-0材料的高分辨率TEM图像。

图6是选择区域电子衍射(SAED)图。

图7是LSCFT-0的能量色散X射线光谱学(EDS)。

图8是LSCFT-0的EDS图，显示了样本中每个元素的百分比。

图9是电化学阻抗谱(EIS)，其中(a)是LSCFT-0材料的电化学阻抗谱，(b)是LSCF材料的电化学阻抗谱。

图10是LSCF与LSCFT-0的性能对比图，其中(a)是LSCF与LSCFT-0材料的ASR比较图，(b)是LSCF与LSCFT-0材料的电化学动力学比较的阿伦尼乌斯动力学图。

图11是使用LSCFT-0和LSCF作为NiO-YSZ/YSZ/GDC的阴极的峰值功率密度图，其中(a)是以LSCFT-0为阴极，(b)是以LSCF为阴极，测试温度为600℃、650℃、700℃、750℃和800℃。

图12是LSCF和LSCFT-0的峰值功率密度的对比图。

图13是LSCFT-0的电化学性能的稳定性测试图。

图14是存在于LSCF和LSCFT-0材料样品中的所有元素的低分辨率XPS光谱。

图15是存在于LSCF和LSCFT-0材料样品中的所有元素的高分辨率XPS光谱，其(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别对应于锶、氧、铁、钴、镧和钽，显示了它们的化学状态。

具体实施方式

本发明提供一种固体氧化物燃料电池阴极材料及制备方法与固体氧化物燃料电池，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，其中，所述阴极材料的化学式为La

S1、将前驱体混合并渗透到樟脑中，得到固溶体；

S2、将所述固溶体进行一次球磨，然后进行煅烧，得到黑色材料；

S3、将所述黑色材料进行二次球磨，然后进行热处理，得到多孔的所述阴极材料。

本实施例提供了一种新的具有钙钛矿结构的阴极材料，其化学式为La

本实施例通过樟脑辅助固相反应法制备得到该阴极材料。具体通过将前驱体完全混合在一起并渗透到樟脑中，樟脑在此作为孔牺牲剂。将该固溶体进行球磨、煅烧，得到黑色材料。将该黑色材料进行二次球磨，获得合适的粒度，该步骤还有助于均相的形成。随后将二次球磨获得的材料进行热处理，以去除樟脑，得到多孔的LSCFT阴极材料。由于使用了碳质模板(樟脑)，该合成方法使制备得到的产品具有多孔结构。

本实施例具有以下技术效果：

1、与现有La

2、本实施例的阴极材料的结构特性可以很好地控制。

3、本实施例的阴极材料具有很好的热、化学稳定性和氧催化还原性能，在800℃的面积比电阻为0.044Ω·cm

4、与传统固态合成方法相比，本实施例的樟脑辅助固态反应作为合成方法更容易获得材料的纯形式，能有效降低成本。

5、通过本实施例的合成方法，解决了传统固态反应制备LSCF需要1400℃的高温问题，本实施例固态反应在900℃左右的温度下即可进行。

6、通过本实施例的合成方法，解决了由传统固态反应合成的多孔LSCF表面差的问题。

作为举例，当x＝0.03时，所述阴极材料的化学式可以为La

作为举例，当x＝0.06时，所述阴极材料的化学式可以为La

作为举例，当x＝0.1时，所述阴极材料的化学式可以为La

优选的，所述阴极材料的化学式为La

步骤S1中，将前驱体混合在一起并渗透到樟脑中，所述樟脑作为孔牺牲剂，得到固溶体。

在一种实施方式中，所述将前驱体混合并渗透到樟脑中的步骤，具体包括：将Sr前驱体、Co前驱体、Fe前驱体、La前驱体和Ta前驱体混合，并渗透到樟脑中。进一步地，所述樟脑与总前驱体的混合摩尔比保持在1:2。

一般采用SrCO

在一种实施方式中，步骤S2具体包括：将所述固溶体溶于溶剂(如乙醇等)中进行一次球磨，然后进行煅烧，得到黑色材料。其中球磨有助于溶液中的金属氧化物和碳酸盐充分混合，也可以减小粒径。

在一种实施方式中，所述一次球磨的工艺参数：在700～800rpm下球磨8～12h。

在一种实施方式中，所述煅烧的工艺参数：在900～1000℃下煅烧4～6h。本实施例固态反应在900℃左右的温度下即可进行，解决了传统的固态反应制备LSCF需要1400℃的高温问题。

在一种实施方式中，步骤S3具体包括：将该黑色材料溶于溶剂(如乙醇等)中进行二次球磨，获得合适的粒度，该步骤还有助于均相的形成。随后将二次球磨获得的材料进行热处理，以去除樟脑，得到多孔的LSCFT阴极材料。

在一种实施方式中，所述二次球磨的工艺参数：在700～800rpm下球磨8～12h。

在一种实施方式中，所述热处理的工艺参数：在700～800℃下热处理4～6h。

本发明实施例提供一种固体氧化物燃料电池阴极材料，其中，所述阴极材料的化学式为La

在一种实施方式中，所述阴极材料呈颗粒状，所述颗粒的粒径为20-50nm。

本发明实施例提供一种固体氧化物燃料电池，包括阴极，其中，所述阴极包括本发明实施例所述的固体氧化物燃料电池阴极材料。

在一种实施方式中，所述阴极材料的化学式为La

下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。

(一)LSCF和LSCFT阴极材料的制备

所有阴极材料均采用樟脑辅助固态反应法合成。一般采用SrCO

本实施例中的LSCF和LSCFT的制备过程如图1所示。首先将前驱体完全混合在一起并渗透到樟脑中，樟脑在此作为孔牺牲剂(即模板)，得到固溶体。将该固溶体溶于乙醇中后，在700rpm下球磨12h，然后在900℃下煅烧6h，得到黑色材料。将该黑色材料溶于乙醇中后，以上述参数进行二次球磨，获得合适的粒度，该步骤还有助于均相的形成。随后将样品在700℃下加热5h，以去除樟脑，得到最终的多孔LSCFT阴极材料。

球磨有助于乙醇中的金属氧化物和碳酸盐充分混合(图1第2和第3步)。在固溶体煅烧之前，球磨也可以减小粒径(图1第3步)。由于使用了碳质模板(樟脑)，该合成方法使制备得到的样品具有多孔结构(图1第8步)。在去除模板之前，中间样品仍含有碳质模板(图1第6步)，须经空气热处理完全去除模板(图1第7步和第8步)。该制备策略帮助制备了具有不同晶体相的LSCF基钙钛矿材料。该反应是在900℃的温度下进行的，解决了传统的固态反应制备LSCF需要1400℃的高温问题。通过这种方法，也解决了由传统固态反应合成的的多孔LSCF表面差的问题。

(二)LSCF和LSCFT阴极材料的结构分析

图2显示了本实施例中所有类型阴极材料的XRD物相检测。通过改变LSCF中掺杂剂(TaO)的化学计量比来制备不同类型的样品。LSCF和LSCFT-0阴极材料都表现出具有R-3c(167)空间群的菱面体晶体相，没有出现任何形式的二次峰。他们的峰值与JCPDS No.49-0284相匹配。然而，由于Ta扩散到LSCF的晶格中，LSCFT的晶格参数小于LSCF的晶格参数。当LSCF表面的Ta量超过0.003wt.％后，出现了与还原氧化钽(TaO)相关的JCPDS No.17-0709峰。根据TaO含量的增加，这些样品被鉴定为LSCFT-1和LSCFT-2。结果表明，TaO在LSCF上的溶解度极限0.003wt.％。当LSCF上TaO的掺杂浓度保持在低于0.003wt.％时，得到的阴极材料的化学计量比为La

图3显示了LSCF和以LSCFT-0作为所有掺杂材料的代表性样品的SEM图像，其中(a)和(c)是未掺杂Ta的LSCF的SEM图像，(b)和(d)是已掺杂Ta的LSCFT-0的SEM图像。所有的样品都具有相似的形态学。根据图中的高分辨率图像，可观察到该结构具有均匀的多孔表面。

图4是LSCFT-0材料的TEM图像，显示了LSCFT-0材料的纳米结构组成，并显示了还原氧化钽(TaO)在LSCF表面的分布。从图4中发现，与传统固态反应制备的LSCF相比，LSCFT-0颗粒尺寸为20-50nm，颗粒粒径降低。

图5是LSCFT-0材料的高分辨率TEM图像，高分辨率TEM图像表明，TaO和LSCF的晶格间距分别为0.228nm和0.230nm,可以观察到TaO和LSCF的晶体面之间存在一个合理的界面。

图6是选择区域电子衍射(SAED)图，该图显示了LSCFT-0中掺杂剂(TaO)和LSCF的晶体面，TaO良好地扩散到宿主LSCF的晶格中，特别是在低于0.003wt.％掺杂浓度的情况下。

图7显示了掺杂样品中的元素分布，发现元素均匀分布。

图8显示了元素的百分比，其中每个元素的含量与由XRD物相分析所得的晶体相一致。所有这些分析都表明，单相的掺杂材料LSCFT-0已经形成了。

(三)为验证本发明制得固体氧化物燃料电池的性能，本发明还提供了效果实施例。本效果实施例的阴极材料均由上述制备方法获得，并以未掺杂的LSCF和掺杂的LSCFT-0为代表性样本进行性能测试。

研究了用LSCF和LSCFT-0作为阴极材料分别制备的单电池的电化学性能。单电池的组成物为400μm厚的阳极(NiO-YSZ)、10μm厚的电解质(YSZ)、4μm厚的阻隔层(氧化钆掺杂氧化铈，GDC)、10μm厚的阴极(LSCF或LSCFT-0)。

1、电极的电化学阻抗性能研究：

通过对电池的电化学阻抗谱(EIS)测量，得到了650℃至800℃的温度范围内的ASR图(图9)，研究并比较了未掺杂LSCF和掺杂的LSCFT-0两种阴极材料的ORR容量。对于LSCFT-0，EIS光谱在温度范围为650℃到800℃之间显示出较低的ASR为0.044Ω·cm

2、电极的功率密度性能研究：

图11中(a)和(b)分别显示了基于LSCFT和LSCF阴极的单个电池的峰值功率密度(PPD)。如图11中(a)所示，LSCFT-0在最低和最高工作温度为650℃和800℃时PPD分别为393mW·cm

3、电极的稳定性能研究：

研究了LSCFT-0材料作为电极的稳定性，鲁棒性的测量代表着材料性能不衰减的长期运行。稳定性试验在0.4V恒定电压和650℃温度下进行，持续时间100小时。图13显示了电化学性能稳定性随功率密度与时间(h)的关系，材料在100小时内具有显著的稳定性，表征该材料具有高鲁棒性。

利用XPS分析方法研究了LSCFT所表现出的催化活性增强的来源。

图14是存在于LSCF和LSCFT-0材料样品中的所有元素的低分辨率XPS光谱。除了掺杂样品中表明Ta的额外峰，两个样品的光谱都很好地匹配。

图15是存在于LSCF和LSCFT-0材料样品中的所有元素的高分辨率XPS光谱，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别对应于锶、氧、铁、钴、镧和钽，显示了它们的化学状态。

图15中(a)是未掺杂和掺杂LSCF中Sr 3d的高分辨率XPS光谱。该光谱由两个双态组成，可以分配给材料晶格和表面的Sr。Sr在未掺杂LSCF晶格处的结合能可以达到132.10eV和134.90eV。研究发现，将Ta并入LSCF的晶格中，将导致LSCFT的Sr 3d的化学环境略有改变以及其表面的Sr物种(即分离的或表面的Sr 3d)明显减少。由于Ta的加入，LSCFT中Sr 3d的结合能略微降低到131.93eV和134.08eV，这更加说明了材料电子结构的改变。LSCF的表面Sr的结合能为133.45eV和136.70eV，而LSCFT的结合能为132.76eV和85eV。

图15中(b)显示了在LSCF和LSCFT表面(O

另一个有趣的发现是，Ta加入LSCF对B位点有很大的影响。具体来说，LSCF的Co 2p表现出四个反褶积峰。峰值在780.18和783.78eV时被分配给Co 2p

图15中(e)显示了LSCF和LSCFT的La 3d的反褶积峰，其中两个样本的La 3d

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。