[发明专利]一种中温固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种Ta和Mo共掺杂的SrFeO_3‑δ基钙钛矿型中温固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法和应用，所述阴极材料的化学式为SrTa_xMo_yFe_1‑x‑yO_3‑δ，其中，x为Ta的掺杂量，0<x≤0.15，y为Mo的掺杂量，0<y≤0.15，δ为氧空位的含量，0≤δ≤0.5；所述阴极材料采用溶胶凝胶‑固相两步法制备而成，本发明通过价态高且稳定的Ta⁵⁺和Mo⁶⁺对SrFeO_3‑δ进行Ta和Mo的共掺杂，通过Ta和Mo共同取代SrFeO_3‑δ中的Fe，可获得一种在中温区结构稳定，氧还原催化活性良好的阴极材料，适用于制备中温固体氧化物燃料电池。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种钙钛矿型中温固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备和应用。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)是一种全固态的能量转换装置，可直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能，被公认为21世纪的绿色能源技术，对满足电力需求、缓解能源危机、保护生态环境及保障国家安全都具有重大意义；传统的SOFC运行温度较高(800-1000℃)，导致其稳定性差，寿命短，成本高，从而限制了其大规模商业化应用，因此将 SOFC的工作温度降至中温(600-800℃)是目前该领域的研究重点；工作温度的降低，有利于扩大SOFC相关材料的选择范围，增加电池系统的稳定性；但是，温度降至中温后，会降低SOFC阴极材料的催化活性，使SOFC阴极与电解质材料之间的界面极化电阻迅速增加，从而导致SOFC输出性能的下降，因此，研发在中温区具有良好的电化学催化性能的阴极材料，是目前该领域亟待解决的一个关键问题。

目前，该领域研究最多的阴极材料是钙钛矿型陶瓷材料，其中，钴基钙钛矿型氧化物SrCoO_3-δ及其掺杂衍生物是研究较多的一类，该类材料具有良好的离子-电子混合导电性，但是其最大的缺点就是热膨胀系数较大，与传统的电解质材料之间的热匹配性较差，因此，研发在中低温区性能优异的非钴基钙钛矿型阴极材料极其重要；相对于钴基钙钛矿型材料来说，SrFeO_3-δ等铁基钙钛矿型材料热膨胀系数较低，但其电化学催化活性略差，因此近年来研究人员对SrFeO_3-δ基钙钛矿材料的掺杂进行了广泛研究，以期通过掺杂的手段来增加其电化学催化性能；Niu和Jose等人分别对在SrFeO_3-δ的Sr位进行Bi掺杂和Fe位进行Si掺杂进行了研究(1.Evaluation and optimization of Bi_1-xSr_xFeO_3-δperovskites，International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011)3179-3186；2.Investigationinto the effect of Si doping on the performance of SrFeO_3-δSOFC electrodematerials，Journal of Materials Chemistry A 1(2013)11834)；研究结果表明Bi和Si单掺杂的SrFeO_3-δ材料其界面极化电阻(Rp)仍然较高；例如，700℃时，Bi_0.2Sr_0.8FeO_3-δ和SrFe_0.9Si_0.1O_3-δ的Rp值分别为0.5Ωcm²和0.9Ωcm²，较高的界面极化电阻和较低的电化学催化活性限制了这种材料的大规模应用。