[发明专利]一种纳米片微孔结构NiO基SOFC复合阳极膜材及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及在多孔的YSZ骨架中浸渍合成纳米片微孔结构的NiO基阳极膜材及其制备方法，属于平板型固体氧化物燃料电池(SOFC)领域。

背景技术

能源和环境对人类的压力越来越大，要求尽快改善人类的生存环境的呼声越来越高。环保型的固体氧化物燃料电池(SOFC)的能量利用率可以达到70％～80％以上，这是SOFC高效率的充分体现，也是其他任何一种发电技术所不可比拟的。作为新型高效的洁净能源，SOFC的发电技术在世界范围内引起了普遍关注，世界各国都在竞相开展研究。与其它结构的固体氧化物燃料电池相比，平板式固体氧化物燃料电池能量密度高，电池组结构灵活，工艺简便，质量易控。阳极支撑型平板式固体氧化物燃料电池通常将阳极支撑体和电解质薄膜进行共烧结，再丝网印刷并烧结阴极后，得到单电池膜片。

目前SOFC应用最为广泛的阳极催化剂材料是价位较低的氧化镍，在工作状态时阳极中的氧化镍被还原为金属镍，金属镍具有较高的导电性能和催化活性，在阳极引起的过电势很小，它对阳极的催化起决定作用。在工作状态时阳极中的氧化镍被还原为金属镍，金属镍具有较高的导电性能和催化活性。通常NiO是以实心粉体的形式引入到阳极，选择合适的粒径及粒度分布的初始粒子，可优化电极的微观结构。催化剂大小纳米化和形貌特效化是SOFC中高效新型电催化剂研究的重要发展方向。由于表面提供了催化反应所需的场所，因而总是趋向于使用高表面的催化剂。提高催化剂的表面一般有二种途径：一是减小催化剂的粒度(但实心结构的颗粒减小到一定程度尤其是纳米大小时，却易导致在运行过程中电池性能不稳定、催化剂颗粒团聚等问题)；二是将催化剂制成多孔材料。本研究注意到：与实心结构的催化剂相比，纳米片微孔结构的催化剂具有比实心结构的催化剂更好的催化性能和结构稳定性。目前我们已研发出在醇-水介质中可廉价大量制备纳米片微孔结构NiO以及空心微球等有序微孔结构的纳米颗粒的制备方法，并可对二维曲面的尺寸和曲面的间隙大小及表面状态进行调控[韦斐，吴也凡，花状NiO纳米片自组装体的制备与表征，硅酸盐学报，2009，37(12)：19～25；韦斐，吴也凡，NiO空心微球的规模化制备与表征.电子元件与材料，2009，28(12)：49～51；韦斐，吴也凡，甲醇-水介质中NiO纳米片自组装体的制备与表征，陶瓷学报，2009，30(2)：213-216]。例如由大量二维曲面组成的具有三方相结构的NiO纳米片微孔结构的粉体，其二维曲面的尺寸约为2μm×3μm、曲面间隙约为100nm、比表面积为104m²/g，这样的微孔结构十分有利于阳极反应气体的扩散。大量的文献研究表明，镍的氧化物或氢氧化物在氢气气氛下经热还原后得到的热分解产物金属镍在形貌上对其前驱体具有“继承性”[刘志宏，镍钴草酸盐制备中的形貌与粒度控制(博士学位论文)，中南大学，2007]，我们的前期研究也表明，纳米片微孔结构的氧化镍经800℃氢气热还原后仍为纳米片微孔结构，在形貌上对其前驱体也具有“继承性”。

由于纳米片微孔结构的催化剂表面积大、催化活性高，中空的微孔结构还有利于构成电子导电相连续框架，与实心结构的催化剂相比，纳米片微孔结构的催化剂不但催化活性高，而且用量少。本专利率先将具有纳米片微孔结构的氧化镍(该微孔结构十分有利于阳极反应气体的扩散)引入到SOFC的阳极制备中。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明以环保型水系流延法为基础，在制得的支撑体膜材上浸渍合成纳米片微孔结构的NiO基阳极催化剂，从而制备纳米片微孔结构的NiO基复合阳极膜材。该方法工艺简单、成本低廉，易实现大面积、大规模生产。

本发明包括配料、球磨、除气、流延、排塑、烧结、浸渍液的配制、浸渍、干燥和热处理过程，包括下述步骤：

(1)将氧化钇稳定的氧化锆粉体、淀粉造孔剂、聚丙烯酸铵、聚乙烯醇、水配制成浆料A；

(2)球磨混合浆料A，除气，将浆料A流延成型制成阳极素坯膜；

(3)将氧化钇稳定的氧化锆粉体、聚丙烯酸铵、聚乙烯醇、水成浆料B；

(4)球磨混合浆料B，除气，将浆料B流延成型制成电解质素坯膜；

(5)将电解质素坯膜与阳极素坯膜经热压制成阳极支撑型-薄层电解质复合素坯膜；

(6)将制得的阳极支撑型-薄层电解质复合素坯膜进行排塑后高温烧结，制成阳极支撑型-薄层电解质复合材料；

(7)将硝酸镍配制成饱和的水溶液；