[发明专利]具有质子电子混合导电的铁基单相阴极材料体系及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁基单相阴极材料体系及制备方法，特别是一种具有质子电子混合导电的铁基单相阴极材料体系及制备方法。

背景技术

固体氧化燃料电池(SOFC)一种能够把燃料中的化学能直接转变成为电能的能量转化装置。目前，SOFC商业化进程所遇到最大的瓶颈就是成本问题和使用可靠性问题。从传统的1000℃左右的高温范围降低至中低温范围(400-800℃)，较低成本的金属合金连接材料和相应的高稳定性的电极材料都能够得到使用，同时降低了电池组元间的侵蚀，从而SOFC的材料成本和电池的维护成本都大大降低，并且也没有影响SOFC的发电效率。然而，随着操作温度的降低，电池的阴极极化损失急剧增加，远远大于电解质欧姆损失的增加幅度，这就需要寻找和研制在中低温范围比经典的La_1-xSr_xMnO₃(LSM)阴极更具有良好性能和稳定性的新型阴极材料。

无论是氧离子传导型O-SOFC还是质子传导型H-SOFC的阴极过程主要是氧气吸附解离并与电子相结合形成氧离子的活性区，并在阴极与电解质的三相界面处发生氧离子的电化学反应及迁移。这些主要涉及氧气的气相扩散、解离吸附、得电子成为氧离子的电化学反应、氧离子在电极中的体扩散和表面扩散，不同的是对于O-SOFC型是氧离子穿越三相界面进入电解质内部传输，而对于H-SOFC型是氧离子与从电解质内部传输过来的质子发生在三相界面处发生电化学反应。但是对于H-SOFC的阴极材料来说，大部分的阴极材料体系的选择还是直接把O-SOFC的阴极材料体系直接拿过来使用，考虑到H-SOFC特殊的阴极过程，使用氧离子导体和质子导体混合形成质子氧离子复合阴极可以有效的降低阴极极化电阻，增加电池的性能。但是复合阴极中经常出现化学相容性差，在长期工作过程中易产生第二相，降低电池是实际使用；其次复合阴极的复杂的制备过程进一步增加电池的制造成本，制约了SOFC商业化。

发明内容

本发明的目的是要提供一种具有质子电子混合导电的铁基单相阴极材料体系及制备方法，获得在中低温范围内具备高的化学稳定性和催化活性的铁基单相阴极材料体系及制备方法。

本发明的目的是这样实现的：本发明的具有质子电子混合导电的铁基单相阴极材料包括铁基阴极材料体系及制备方法；

所述的铁基单相阴极材料体系：选择质子导体BaZrO₃，掺杂三价阳离子Y³⁺，增加材料的质子电导率，再引入过渡金属离子Fe改变材料的能带结构，降低带隙，产生电子电导，获得具有质子电子混合导电的单相阴极材料。

所述的铁基单相阴极材料体系的制备方法:按照Ba：Zr：Y：Fe＝1：0.8-x：0.2：x的摩尔比例称量每个元素所对应的化学原料，加入柠檬酸，EDTA两种络合剂，通过硝酸，氨水溶解，调节PH＝6-7，烧成初级粉，再预烧1250℃-5h成粉，得到所制备阴极材料。

制备方法步骤为：

(1)首先将阴极材料式子中的元素，按比例找取相对应的化学药品，C₄H₆BaO₄、Zr(NO₃)₄·3H₂O、Y(NO₃)₃·6H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O，根据成分中所含元素比例，称量所需质量；所述的式子为BaZr_0.8-xFe_xY_0.2O_3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6；

(2)先往干净的烧杯中加入Zr(NO₃)₄·3H₂O，在加入10-15ml硝酸，50-100ml蒸馏水，放在电炉上加热，搅拌至澄清；

(3)再向烧杯中加入称取好的C₄H₆BaO₄、Y(NO₃)₃·6H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O，然后再加入络合剂柠檬酸和乙二胺四乙酸(EDTA)，所述柠檬酸和EDTA的质量按：按总金属离子数：柠檬酸：EDTA＝1：1：0.8加入烧杯中；