[发明专利]一维纳米纤维状LST阳极材料及其制备方法、利用该阳极材料的复合阳极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种阳极材料、复合阳极及其制备方法。

背景技术

以煤炭、石油、天然气等为代表的化石燃料是中国（比例>90%）乃至世界（比例>80%）的主要能源资源，其平均发电效率仅为30%左右，迫切需要提高。固体氧化物燃料电池(SOFC)的突出优点之一是可以直接使用化石燃料，如气态的天然气、煤相关的气化煤气、焦炉煤气和煤层气等，液态的汽油、航空柴油和醇类等，和固态的焦炭和煤等，这些燃料都是以含碳化合物为主要成分，这里统称为碳基燃料。碳基燃料SOFC是实现化石燃料高效转化和洁净利用的有效途径。与燃煤发电技术相比，SOFC极大地降低了化石燃料在热电转换中的能量损失和对生态环境的破坏，具有更高的效率和更低的污染。基于我国能源结构现状，发展碳基燃料SOFC能源动力系统很有必要，它将为我国以化石能源尤其是以煤为主体的能源结构和以燃煤发电为主的电力结构调整做出重要贡献。

SOFC阳极的主要作用是为燃料的电化学氧化反应提供反应场所，所以SOFC阳极材料必须在还原气氛（氧分压为10^-23～10^-18大气压）中稳定，并且具有足够高的电子电导率和对燃料气体氧化反应的催化活性。对于直接碳氢化合物SOFC，其阳极还必须能够催化碳氢化合物的重整反应或直接氧化反应，并有效地避免积碳的产生。Ni-GDC和Ni-YSZ金属陶瓷是比较常用且性能较好的传统阳极材料，GDC和YSZ的作用是提供承载Ni粒子的骨架和阻止在运行过程中Ni粒子团聚，使阳极保持多孔的微观构造，增大三相界面，并且使阳极的热膨胀系数与其它组元材料相匹配。但是，SOFC使用碳基燃料时Ni基阳极容易被硫毒化而使Ni团聚，使三相界面减小；碳基燃料的使用容易导致碳沉积影响电极工作；碳基燃料中H₂S对燃料电极的毒化使Ni基阳极容易出现硫毒化现象而使Ni发生不可避免的团聚。这些问题使Ni基阳极的性能出现衰减现象，最终降低SOFC使用寿命。因此，取代传统阳极材料研发高性能长寿命的碳基燃料SOFC阳极势在必行。

发明内容

本发明的目的是为了解决SOFC使用碳基燃料时，Ni基阳极出现碳沉积现象以及被硫毒化发生Ni团聚现象造成的三相界面减小影响电极工作性能等阳极材料的合理选择及制备技术不足等问题，而提供了一维纳米纤维状LST阳极材料及其制备方法、利用该阳极材料的复合阳极及其制备方法。

一维纳米纤维状LST阳极材料的化学式为La_xSr_1-xTiO₃，其中0≤x≤0.4，所述的一维纳米纤维状阳极材料的结构为一维纳米纤维状。

一维纳米纤维状LST阳极材料的制备方法如下：

一、静电纺丝前驱液制备：依照化学式La_xSr_1-xTiO₃，0≤x≤0.4，按La元素、Sr元素与Ti元素摩尔比为x:（1-x）:1的比例分别称取硝酸镧、硝酸锶和钛酸四丁酯，然后将硝酸镧和硝酸锶加入到N,N-二甲基甲酰胺中，在室温下磁力搅拌至硝酸镧和硝酸锶完全溶解，再加入聚乙烯吡咯烷酮搅拌6~8h后，得混合溶液，加入浓硝酸调节混合溶液pH值至4~6，然后加入钛酸四丁酯，继续搅拌至混合溶液呈现透明状态，得到静电纺丝前驱液；

所述静电纺丝前驱液中硝酸镧、硝酸锶和钛酸四丁酯总的质量浓度为6-25%，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为5-15%；

二、静电纺丝制备一维纳米纤维：将步骤一得到的静电纺丝前驱液，在静电纺丝电压15kv~25kv、收集距离为15cm~20cm、室内温度20℃~35℃、相对湿度20%~35%的条件下进行静电纺丝，得到纳米纤维；

三、一维纳米纤维状LST阳极材料的制备：将步骤二得到的纳米纤维以2℃/min~10℃/min的速度升温至300℃时恒温烧结1-2h，然后继续升温至600℃-1200℃，并且在600℃-1200℃烧结1-2h，即得一维纳米纤维状LST阳极材料。

一维纳米纤维状LST阳极以电解质片、阳极或阴极为支撑体，在支撑体上附着一维纳米纤维状LST阳极材料，在LST纤维表面附着电解质纳米微粒。

一维纳米纤维状LST基复合阳极的制备方法如下：

一、采用以上所述的一维纳米纤维状LST阳极材料过筛后，加入无水乙醇分散，再加入质量浓度为3%的乙基纤维素的松油醇溶液，其中阳极材料与质量浓度为3%的乙基纤维素的松油醇溶液的质量比为1﹕1，搅拌4-8h，得到一维纳米纤维状LST阳极浆料；