[发明专利]一种高电导率双钙钛矿型Al掺杂Sr2AlxMg1-xMoO6-δ阳极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属燃料电池领域，具体涉及一种对双钙钛矿型(A₂BB′O₆)固体氧化物燃料电池阳极材料Sr₂MgMoO₆的B位进行Al掺杂、提高其电导率的方法，采用柠檬酸-燃烧合成法制备B位掺杂的固体氧化物燃料电池双钙钛矿结构阳极材料。

背景技术

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，被称为是继水力、火力、核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置，燃料电池将是21世纪最有吸引力的发电方法之一。固体氧化物燃料电池由于其全固态部件、对燃料适应性强、转化效率高等特点，成为非常有发展前途的新型能源系统之一。

阳极是固体氧化物燃料电池的重要组成部件之一，它的主要作用是作为电化学反应的催化剂，为燃料气体的电化学氧化提供反应场所。另外，由于电池是在较高的温度下运行，阳极在电池运行温度下不仅与燃料接触，而且还与反应杂质和浓度不断增加的氧化产物，以及电解质、连接体等电池的其它一些部件相接触，根据文献A.Atkinson，S.Barnett，R.J.Gorte，et al.Advanced anodes for high-temperature fuelcells.Nature Materials，2004(3)：17-27的报道，在对阳极材料进行选择时，必须同时考虑其作用功能和工作环境，这就要求作为SOFC阳极的材料一般须具有：

①高的电子和离子电导率，以减小电极的欧姆损失，使电解质传过来的离子顺利到达反应区域，反应产生的电子顺利传到外回路产生电流。而且在燃料电池运行的燃料环境下，它的电导率不能随氧分压的变化而有太大变化；

②对燃料气体(如氢气或其它的碳氢燃料)的电化学氧化具有高的催化活性。对于碳氢燃料，阳极还要有一定的抑制碳沉积的能力，

另外，还要对燃料中的有害气体如硫化氢等有一定的容忍度；

③适当的气孔率，使燃料气体能够源源不断地渗透到电极-电解质界面处参与反应，并将产生的水蒸气和其它的副产物带走，同时又不严重影响阳极的结构强度；

④与其相邻的电池其它部件具有相近的热膨胀系数和化学相容性，二者之间不会发生由化学反应或元素互扩散所导致的二次相的生成、稳定性的减弱、热膨胀系数的变化以及在电解质中引入不需要的电子导电性等；

⑤在还原性气氛下具有好的化学稳定性、结构和相的稳定性；

SOFC目前最常用的阳极是Ni/YSZ，使用纯氢做燃料。但是用纯氢做燃料成本太高，使用碳氢气体做燃料是今后的发展趋势。如果使用碳氢气体做燃料，Ni/YSZ阳极，就会出现碳沉积、硫中毒等问题。(Rangachary Mukundan，Eric L.Brosha，Fernando H.Garzon.Sulfurtolerant anode for SOFC.Electrochemical and Solid-State Letters2004，7(1)A5-A7)因此，需要研究开发直接催化碳氢气体、而又可以防止发生碳沉积和硫中毒现象的新型阳极材料。

A₂BB′O₆型双钙钛矿结构的Sr₂MgMoO₆具有很好的抗硫中毒和碳沉积能力，对碳氢燃料具有很好的催化活性，并且热膨胀系数与电解质匹配，成为SOFC阳极材料的候选者。化学计量比的Sr₂MgMoO₆电导率不高，不能直接用作SOFC阳极材料。但是其在A、B位有很强的掺杂能力，通过A/B位异价离子的掺杂，可以在材料中产生不同类型和不同价态的点缺陷，使掺杂的Sr₂MgMoO₆表现出离子电子混合导体的性质，并能与多种电解质材料兼容。如何通过掺杂元素种类的选择和掺杂量的控制明显提高Sr₂MgMoO₆的电导率，成为Sr₂MgMoO₆作为SOFC阳极材料实用化的关键所在。