[发明专利]含有钙钛矿型结构氧化物的复合材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有钙钛矿型结构氧化物的复合材料及其制备方法和用途，特别涉及所述复合材料在固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池中的应用。

背景技术

目前，对能源需求的日益增加刺激了对高效、低成本和环境友好的替代能量转化和储存系统的研发。

固体氧化物燃料电池（SOFCs）是一类可以将燃料气体的化学能以高效而环境友好的方式直接转化为电能的电化学反应器，其工作原理如图1所示。

其中，阴极反应为：1/2O₂+2e^-→O^2-；

阳极反应为：H₂+O^2-→H₂O+2e^-,

            CO+O^2-→CO₂+2e^-,

            C_nH_2n+2+(3n+1)O^2-→nCO₂+(n+1)H₂O+(6n+2)e^-。

固体氧化物燃料电池（SOFCs）与目前研究的其它燃料电池相比较，基于氧离子导体或高温质子导体电解质材料的SOFCs具有可以使用经济合理的材料组件、对燃料中杂质低的敏感性和高的能量转化效率等优点[1]。但是目前SOFCs从成本和耐久性上与传统的内燃机都还无法竞争。最近10多年研究主要集中在400~800℃温度范围内工作的中低温固体氧化物燃料电池。降低工作温度能够抑制电池组件的衰退，可供使用材料的选择增多，并且会改善电池的耐久性以及降低系统制造和维护成本，使其更适合在移动领域应用[2]。但是，降低电池的工作温度会降低电极反应动力学，并导致界面极化阻抗增大。这一效应对阴极氧还原反应的影响尤其明显。为了减小电极的极化，高的电子电导、离子电导和对电极反应高的催化活性是必要的指标。

因此，为了设计具有高性能和长期稳定性的固体氧化物燃料电池（SOFCs）非常迫切地需要开发低成本、高效、稳定的材料。虽然Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O₃（简称BSCF）在中低温下具有优良的氧还原性能，可以用于中低温固体氧化物燃料电池的阴极[3]，但是空气中很少量的CO₂会抑制氧还原过程，并使BSCF催化剂中毒，随着温度降低毒化效应会加剧，并且水的存在会随之加剧CO₂在BSCF上的吸附[4,5]。

固体氧化物电解池（SOECs）以SOFCs逆方式工作，其工作原理如图2所示。

其中，阳极反应为：O^2-→1/2O₂+2e^-；

阴极反应为：H₂O+2e^-→H₂+O^2-,

            CO₂+2e^-→CO+O^2-。

SOECs是一种重要的能量转化系统，它可以合理而有效地将风能、潮汐能和太阳能等可再生能源转化为化学能，因此是有效的能量储存手段。

最近，利用固体氧化物电解池（SOECs）电解水和二氧化碳产生燃料重新引起了关注[6-12]。共电解H₂O/CO₂（其反应为：H₂O+CO₂→H₂+CO+O₂）的优点在于既可以缓解化石资源短缺的问题，也可以降低温室气体的排放。制备的合成气可以利用现有的基础设施管道进行输运，也可以通过成熟的费托合成工艺（Fischer-Topsch）进一步合成液体燃料。而传统的合成气制备过程是煤汽化或天然气水汽重整，这两个过程既消耗化石燃料，也排放温室气体。因此，利用可再生能源共电解水蒸汽和二氧化碳是一条同时解决能源和环境问题的有效手段[13,14]。