[发明专利]一种在多孔基底内表面高温制备针状金属Ni的方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池Ni基电极的制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC），作为一种能源转化装置近来引起了世界各国的广泛关注。其主要原因是SOFC的能源转化率高，利于环保。如果采用纯氢气作为燃料，SOFC系统的最终反应产物是水，可以直接供人类饮用，反应过程中也没有任何有害物质产生，因此被称为清洁能源。通常SOFC的能源转换率可达到60%，如果采用热电联供方式，即SOFC在提供电力输出的同时也提供热量输出，其能源转换率可高达80%，是普通火力发电的2～3倍，是不折不扣的高效能源。

SOFC的传统阳极材料是Ni/YSZ（YSZ:Yi稳定ZrO₂）。在阳极反应过程中起到主要催化作用的是金属Ni，其中的YSZ主要起到阳极支撑体的作用。Ni是迄今为止发现的对H₂氧化最好的催化剂，此外Ni作为金属具有很高的电子导电性，是阳极反应过程中主要电子输运通道。因此，Ni要在阳极中形成导电网络，根据渗透理论其体积分数不能低于30%。近来，纳米技术的不断成熟和发展使得Ni在阳极中的粒径原来越小，逐渐趋于纳米粒子，目的是拓展Ni的表面积从而有利于气体在其表面的吸附，促进阳极反应。但是，这种纳米级Ni颗粒由于具备非常高的表面能，同时金属Ni的熔点相对较低，在SOFC运行温度下（500℃～800℃）十分容易烧结。从而造成Ni的团聚，不仅降低表面积还会造成阳极中金属Ni连通网络的中断。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有固体氧化物燃料电池（SOFC）传统Ni基阳极在高温应用过程中易烧结，长期工作稳定性差的问题，从而提出一种在多孔基底内表面高温制备针状金属Ni的方法。

一种在多孔基底内表面高温制备针状Ni的方法，具体是按以下步骤完成的：

一、配制镍金属盐前驱体溶液：将镍金属盐固体溶于溶剂中，在100r/min～800r/min的搅拌速率下，搅拌5min～30min，得到镍金属盐溶液，再向镍金属盐溶液中加入络合剂，在100r/min～800r/min的搅拌速率下，搅拌20min～200min，得到镍金属盐前驱体溶液；其中镍金属盐与络合剂的物质的量的比为1:（0.5～5），镍金属盐前驱体溶液的摩尔浓度为2mol/L～3mol/L；

二、制备多孔基底骨架：以多孔基底材料为球磨底物，在球磨速率100r/min～1000r/min的条件下球磨24h～48h，得到球磨后的多孔基底材料粉，将球磨后的多孔基底材料粉与有机造孔剂于玛瑙研钵中，研磨1h～3h，得到混合粉体，再在100MPa～300MPa的条件下，将混合粉体单轴干压成型，得坯体，然后在1200℃～1600℃的条件下，将坯体烧结1h～3h，得到多孔基底材料骨架；其中球磨后的多孔基底材料粉与有机造孔剂的质量比为(1～3):1；

三、浸渍过程：通过真空辅助浸渍法或提高镍金属盐前驱体溶液温度浸渍法，使步骤二制备得到的多孔基底材料骨架浸渍到步骤一得到的镍金属盐前驱体溶液中，浸渍0.1min～5min后取出，得到浸润镍金属盐前驱体溶液的多孔基底材料骨架；

四、冷冻干燥：通过低温真空冷却技术将步骤三中得到的浸润镍金属盐前驱体溶液的多孔基底材料骨架冷却干燥；

五、多次浸渍-冷冻干燥：重复步骤三和四直至达到浸润镍金属盐前驱体溶液的多孔基底材料骨架中Ni的含量为20wt%～50wt%为止，得到Ni的含量为20wt%～50wt%的镍金属盐的多孔基底；

六、针状NiO的制备：将步骤五得到的Ni的含量为20wt%～50wt%的镍金属盐的多孔基底在500℃～1000℃的条件下，烧结1h～3h，得到针状NiO；

七、针状金属Ni的制备：将步骤六得到的针状NiO在500℃～1000℃、H₂气氛的条件下还原1h～10h得到针状金属Ni。

本发明的有益效果：一、本发明的一种在多孔基底内表面高温制备针状金属Ni的方法，易于操作，方便快捷，制备效率高；二、本发明通过一种在多孔基底内表面高温制备针状金属Ni的方法得到的多孔基底中的金属Ni具有独特的针状结构，在阳极中形成更为稳定的网络连接，有利于电极电子电导率的提升，与传统方法制得的Ni基阳极相比，本发明得到的多孔基底中的金属Ni基阳极电导率的提高了7倍；三、与传统发明制备的Ni基阳极的电池相比，通过本发明在多孔基底中得到的金属Ni具有独特的针状结构，在以针状金属Ni作为阳极在高温环境使用过程中不易烧结，利于浸渍电极和电池长期高温工作稳定性的提升，可使电池的稳定性提升6倍。