[发明专利]高催化活性抗积碳阳极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新型能源，材料加工和电力领域，具体涉及一种对碳氢燃料氧化反应具有高催化活性、且不形成积碳的固体氧化物燃料电池(SOFC)新型阳极材料及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种新型发电装置，具有燃料能量转换效率高、对环境污染小，燃料适用性强和设计灵活等优点，被誉为二十一世纪的绿色能源。可直接以碳氢化合物(如天然气，甲醇，丙烷)为燃料是SOFC最突出的优点之一，可解决氢气燃料带来的储存、运输困难等问题。但是，SOFC传统的Ni基陶瓷阳极(如Ni-Zr_0.85Y_0.15O_2-δ和Ni-Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ等)对碳氢化合物的裂解反应具有极高的催化活性，从而在阳极表面形成碳淀积，导致阳极催化失活。寻求具有优异的抗积碳性且具有高电化学催化活性的新型阳极材料是目前SOFC最活跃的研究领域之一，对于SOFC的发展具有重要的现实意义和应用前景。

目前具有抗积碳性能的新型阳极研究主要集中新材料的开发和微结构的优化，主要包括：1)开发La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O₃(LSCM)和Sr₂Mg_1-xMn_xMoO_6-δ(SMMM)等钙钛矿型或双钙钛矿型氧化物阳极。LSCM等新型氧化物陶瓷对于甲烷等燃料气反应的电催化性能远低于Ni基阳极，因而可以避免形成碳淀积。但是这类阳极材料的低电催化性能导致电池极化电阻巨大，输出功率过低，实际应用前景渺茫；2)微结构优化技术。利用浸渍技术等，在传统的Ni基阳极骨架表面制备抗积碳层(如Ce_0.8Sm_0.2O_1.9)，形成包覆结构，在保持Ni基电极良好电导率的同时，降低Ni基阳极对碳基燃料的催化裂解活性，达到抗积碳的目的。但是浸渍方法一般需要重复7－10次的浸渍制备过程，工艺要求高，周期长，难以满足SOFC的商业化需求；3)利用Cu等对碳氢燃料具有较低催化活性的金属取代Ni。但Cu基金属的熔点低，且电催化活性不能满足SOFC的需要，电池阳极极化电阻高，电池输出功率低。已有的研究报道表明，目前尚没有得到比较成熟的兼具高抗积碳性能和高电化学活性的阳极材料。

发明内容

本发明的目的是在于为固体氧化物燃料电池提供一种新型阳极材料。该材料在碳氢燃料中同时具有优异的抗积碳性和高的电催化性能。本发明的进一步目的是在于提供一种阳极新材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供一种具有高催化活性抗积碳阳极材料，其化学式为Co₂TiO₄的新型阳极材料，还原气氛下可以分解为Co相和TiO₂相。

所述的一种具有高催化活性的固体氧化物燃料电池阳极材料用作为固体氧化物燃料电池阳极。

所述的一种具有高催化活性的固体氧化物燃料电池阳极材料，在还原气氛下被还原为Co相和TiO₂相。

所述的一种具有高催化活性的固体氧化物燃料电池阳极材料，在还原气氛下被还原形成Co相与TiO₂相的摩尔比为1：1。

所述的一种具有高催化活性的固体氧化物燃料电池阳极材料，还原后形成的Co相对燃料反应提高催化活性，TiO₂相抑制积碳生成。

所述的一种具有高催化活性的固体氧化物燃料电池阳极材料，还原后形成的Co相提供电子电导通道，TiO₂相提供离子传输通道。

所述的一种具有高催化活性的固体氧化物燃料电池阳极材料，在还原气氛下对碳氢燃料氧化反应具有高催化活性，且不形成积碳。

所述的一种具有高催化活性的固体氧化物燃料电池阳极材料，还原后具有独特的Co相/-TiO₂相互相附着的粒子结构。

本发明同时提供了制备所述的一种具有高催化活性的固体氧化物燃料电池阳极材料的方法，包括如下步骤：