[发明专利]高结晶的有序介孔氧化钆掺杂氧化铈固溶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有序介孔氧化钆掺杂氧化铈固溶体的制备方法。这种有序介孔固溶体可以用于固体氧化物燃料电池的电极支撑体。

背景技术

氧化钆掺杂氧化铈(gadolinia doped ceria，GDC)在中温下(500～700℃)离子电导率比固体氧化物燃料电池(SOFC)传统电解质材料氧化依稳定的氧化锆(YSZ)高1～2个数量级，是理想的中、低温固体氧化物燃料电池电解质材料。固体氧化物燃料电池在中、低温下运行可以大大拓宽相应各元件材料的选择范围，减小电池元件之间反应的可能性，将有利于降低成本、提高寿命，但在中、低温下运行会使电极的动力学活性降低，从而影响到电池的性能。因此，必须寻找与氧化钆掺杂氧化铈电解质相匹配的电极材料。最近，为了改善电极的性能，一种离子和电子混合导电的复合电极成为了一个主要的研究热点。例如Ni/GDC复合阳极材料，Ni具有对燃料的催化氧化和电子传导的功能，GDC主要作为Ni的支撑体，并具有离子传导功能。同样的，锰酸镧(LSM)/GDC也被用作阴极材料。这些复合电极的性能与气体三相界面(TPB)长度有很大的关系，TPB长度越长越有利用提高电极的催化速率。这种长的TPB可以通过制备具有均匀有序孔结构的GDC材料来达到。规则的孔道结构，可以提高对催化剂的分散性和稳定性，从而极大地提高催化活性。因此如何制备出具有大比表面积、规则孔道结构、稳定性高的GDC孔材料成为研究的焦点。

制备有序介孔结晶GDC氧化物固溶体主要采用软、硬模板法，软模板法采用有机嵌段共聚物作为结构引导试剂，通过在空气中煅烧去除模板得到介孔结构的GDC氧化物固溶体，但是这种方法很难得到高结晶的GDC氧化物固溶体，因为在很高温度下去除模板可能会导致介孔的坍塌。硬模板法是使GDC氧化物前驱体渗透进入有序介孔硅或炭的硬模板中，然后在高温下去除模板，可以得到高结晶的介孔GDC氧化物固溶体，并且介孔不容易坍塌，但是这种方法费时，程序复杂，很难控制，取得理想的硬模板也比较难，并且很难让GDC氧化物前驱体填充所有的孔。因此，探索一种简单可行的高结晶有序介孔GDC氧化物固溶体的制备方法势在必行。

发明内容

本发明的目的是提供一种高结晶的有序介孔氧化钆掺杂氧化铈固溶体的制备方法，该方法制备的有序介孔氧化钆掺杂氧化铈固溶体的结晶度高、比表面积大，并且工艺简单。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：高结晶的有序介孔氧化钆掺杂氧化铈固溶体的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：

1)原料的选取：

按各原料所占重量份数为：

乙酰丙酮铈水合物     1.5-2.5，

乙酰丙酮钆水合物     0.35-0.45，

甲醇                 20-30，

N，N-二甲基甲酰胺                0.3-0.5，

四氢呋喃                         3.0-4.0，

氯仿                             5.0-6.0，

聚异戊二烯与聚氧化乙烯嵌段共聚物 0.5，

称量乙酰丙酮铈水合物、乙酰丙酮钆水合物、甲醇、N，N-二甲基甲酰胺、四氢呋喃、氯仿、聚异戊二烯与聚氧化乙烯嵌段共聚物，备用；

2)GDC前驱体溶胶的制备：在装有电磁搅拌的三口烧瓶中加入乙酰丙酮铈水合物(Ce(CH₃COCHCOCH₃)₃·xH₂O)、乙酰丙酮钆水合物(Gd(CH₃COCHCOCH₃)₃·xH₂O)、甲醇和N，N-二甲基甲酰胺(加去离子水或不加去离子水；加去离子水时，去离子水所占重量份数为0.2-0.4)，室温搅拌1-2小时，得到GDC前驱体溶胶，静置备用；

3)聚合物溶液的制备：将四氢呋喃和氯仿混合，得到四氢呋喃和氯仿的混合溶剂；向四氢呋喃和氯仿的混合溶剂中加入聚异戊二烯与聚氧化乙烯嵌段共聚物，在65-70℃溶解1小时，然后冷却到室温，得到聚合物溶液；

4)将GDC前驱体溶胶倒入聚合物溶液中，室温混合1小时，得到混合溶液；

5)将混合溶液倒入玻璃培养皿中，盖上培养皿盖子后放入烘箱，在65-70℃下烘24小时(凝胶化脱水脱醇)；

6)当混合溶液变得粘稠时，去掉培养皿盖子，继续反应40-60分钟(凝胶化反应)，得到GDC/聚异戊二烯与聚氧化乙烯嵌段共聚物杂化材料；