[发明专利]一种A位层状钙钛矿型电极材料及其制备方法

说明书

一种A位层状钙钛矿型电极材料及其制备方法，属于固体氧化物燃料电池技术领域。本发明利用A位层状钙钛矿氧化物的高氧离子电导特性、B位Mn离子的多价态和抗还原特性，合成制备结构稳定、电化学性能优良的对称电极材料。通过B位过渡金属离子(Fe、Co、Ni)的掺杂，进一步调控材料的催化活性。电极材料的分子式为：LnBaMn_2‑xM_xO_5+δ，其中Ln＝Sm、Gd、Nd，M＝Mn、Fe、Co、Ni，0≤x≤2，0≤δ≤1。电极材料分为致密型电极材料和多孔薄膜型电极材料。A位离子的存在，为材料提供了充足的氧空位浓度，有助于材料离子电导率的提高；所选过渡金属元素，其低价特征和较低金属‑氧健强特征，可进一步增加晶格中氧空位浓度。同时，这些元素的d电子特征，又可强化材料的催化活性。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及A位层状钙钛矿型(AA’B₂O_5+δ)固体氧化物燃料电池电极材料LnBaMn₂O_5+δ(Ln＝Sm、Gd、Nd)，以及对Mn位进行过渡金属M(M＝Mn、Fe、Co、Ni)掺杂，显著改善了材料对燃料气以及氧化剂的催化活性，得到一种在氧化还原气氛中结构稳定，可同时用于固体氧化物燃料电池阴阳极的电极材料LnBaMn_2-xM_xO_5+δ(Ln＝Sm、Gd、Nd，M＝Mn、Fe、Co、Ni，0≤x≤2，0≤δ≤1)。该材料可用固相法和溶胶凝胶燃烧法制备。

背景技术

目前化石燃料的直接燃烧利用，造成了巨大的环境问题。为解决环境污染、缓解温室效应，世界各国都在积极研发转化效率高、环境友好的新能源技术。固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)是一种直接将燃料中的化学能转化为电能的发电装置，具有转化效率高、噪音低、环境友好等优点，是一种十分具有发展前景的新能源技术。固体氧化物燃料电池由多孔阴阳极以及致密电解质组成，由于阴阳极需要分别具备氧还原和燃料氧化的功能，同时还需分别具备抗氧化和抗还原特性，因而通常选用不同组成结构和性质的材料，从而导致电池各部分制备温度不一致，单电池需多步制备，工艺复杂。

对称固体氧化物燃料电池(Symmetrical Solid Oxide Fuel Cell，SSOFC)，即阴极阳极使用同一种材料，电极制备可以一步烧成，简化电池的制备工艺，降低电池成本。更重要的是，在这种设计下，如果出现碳沉积与硫中毒现象，可以通过阴阳极气体切换来去除积碳与积硫，从而使电池性能恢复[Wang W,Su C,Wu Y,et al.Progress in solid oxidefuel cells with nickel-based anodes operating on methane aNdrelatedfuels.Chemical Reviews,2013,113(10):8104-51.]。考虑到材料苛刻的工作环境，作为SSOFC电极材料需要满足以下要求[Ruiz-Morales J C,Marrero-López D,Canales-Vázquez J,et al.Symmetric aNdreversible solid oxide fuel cells.RSC Advances,2011,1(8):1403-1414.]：

(1)在氧化与还原气氛下都具有足够的电子与离子电导；

(2)对氧气还原与燃料气氧化都具有良好的催化活性；

(3)在氧化还原气氛中都保持结构稳定，并且不与其他组分发生反应；

(4)在宽氧分压条件下与电池其他组分热膨胀匹配；