[发明专利]一种负载纳米催化剂的钙钛矿复合阳极及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种负载纳米催化剂的钙钛矿复合阳极及其制备方法与应用。该复合阳极材料呈Ruddlesden‑Popper(RP)层状结构，基体钙钛矿分子式为PrSrFe_0.8Ru_0.1Nb_0.1O_4+δ，纳米催化剂为Fe_0.7Ru_0.3合金‑FeO_y氧化物。制备方法包括：先采用燃烧法制备(Pr_0.5Sr_0.5)_xFe_0.8Ru_0.1Nb_0.1O_3‑β前驱体，然后将前驱体于还原气氛中预处理，获得表面均匀覆盖Fe_0.7Ru_0.3合金‑FeO_y氧化物核壳结构纳米活性颗粒的钙钛矿复合阳极材料。本发明制备的钙钛矿复合阳极材料FRA@FO‑RP‑PSFRN呈珊瑚状，表面原位析出的FRA@FO核‑壳结构纳米颗粒为燃料催化提供了大量的活性位点，拓展了电化学反应的三相界面，具有很好的燃料催化性能，在固体氧化物燃料电池阳极中具有较好的应用前景。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种负载纳米催化剂的钙钛矿复合阳极及其制备方法与应用。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是具有全固体结构的新型能源转化装置，可以将燃料中的化学能直接转化为电能，具有低排放、燃料适应性广等优势。

在SOFC中，H₂是最常用的燃料，其具有易转化、无污染等优点。但与此同时，使用氢气作为燃料的缺点也是显而易见的，如生产成本高、存储风险大等。目前，各国研究者正积极探寻使用碳基化石燃料替代H₂燃料的有效方法。传统的Ni基金属陶瓷SOFC阳极材料，如Ni-YSZ(8mol％Y₂O₃稳定ZrO₂)，在碳基燃料中易发生积碳行为，难以获得较高的性能输出。使用具有电子/离子混合导电性的钙钛矿氧化物替代Ni基阳极可有效避免积碳现象，然而，这些钙钛矿材料通常难以达到理想的燃料催化性能。

在电极材料表面负载纳米催化剂是一种常见的修饰手段，可以有效地改善电极材料的催化活性。其中，负载金属纳米粒子的尺寸、粒径分布、元素组成及其与氧化物载体的相互作用是决定催化活性、催化选择性和稳定性的关键。在以往的研究中，常采用物理混合、物理或化学气相沉积、化学浸渍等方法来制备负载金属纳米粒子的催化剂。然而，这些方法对纳米粒子的大小控制不佳，从而导致纳米粒子的不均匀分布。因此需要寻找一种负载手段，实现纳米催化剂尺寸及粒径的可控化，从而实现钙钛矿氧化物阳极性能的提升。

近年来，随着对钙钛矿氧化物研究的深入，研究者们发现在还原气氛条件下，部分钙钛矿材料ABO₃中的B位金属可以被还原，析出至材料表面形成活性纳米颗粒(NPs)，对材料的导电性能与催化性能有显著影响，这为钙钛矿阳极的改性提供了一种有效的方法。在传统的原位析出技术中，所得到的表面纳米颗粒一般为金属单质或合金。如Xue等人通过原位析出法制备了表面FeNi₃纳米颗粒修饰的PrBa(Fe,Ni)_1.9Mo_0.1O_5+δ钙钛矿复合材料。