[发明专利]一种BaFeO3-δ基B位Bi2O3掺杂的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法和应用，具体涉及一种包含掺杂Bi₂O₃元素的无钴型BaFeO_3-δ基钙钛矿型氧化物的阴极材料及其制备方法和应用。

背景技术

燃料电池是一种能将化学能直接转化为电能的电化学能量转化装置，具有清洁、安静、高效等优点，被认为是解决化石类燃料污染环境的最有效的技术之一。在多种类型的燃料电池中，固体氧化物燃料电池(SOFC)具有极为突出的优点，例如全固态结构、便于移动和运输，运行过程中的余热可再次回收利用，燃料适用范围广等。

由于典型的SOFC需要在800～1000℃下的高温环境中运行，从而导致了一系列问题，如阴极与电解质界面反应的发生，由于电解质、电极材料和密封材料彼此之间的热膨胀性质的差异导致的电池稳定性的降低，需要使用耐高温的连接材料导致电池的成本提高等。这极大地限制了材料的使用范围，降低了性能可靠性和经济可行性。因此，现今的研究集中于将SOFC的运行温度降低到800℃或更低。然而随着运行温度的降低，电极的极化电阻尤其是阴极极化电阻急剧上升，因此急需要研究出新型的高性能的阴极替换材料以改善由于SOFC中低温化带来的性能的降低。

目前研究的中低温化的SOFC所使用的钙钛矿型阴极材料多为Co基材料。尽管Co基材料表现出了优异的电化学性能，但是其仍存在热膨胀系数大、运行时结构稳定性差、成本高等较多的缺点，极大的降低了商业化的可行性。

Fe基材料具有良好的高温稳定性和一定的氧化还原催化性能，且成本较低成为了适宜替代性阴极材料，但其综合的电化学性能相对于Co基材料仍有待于提高。

经过对现有技术检索发现，如A Comparative Study of Oxygen Reduction Reaction on Bi-and La-Doped SrFeO_3-δPerovskite Cathodes(Bi和La掺杂SrFeO_3-δ钙钛矿阴极的氧还原反应比较研究，Journal of the Electrochemical Society，2011，158(2)B132-B138.《电化学汇志》，公开日期2010.12.3)其中考虑了对SrFeO_3-δ钙钛矿阴极在A位进行Bi₂O₃和La₂O₃掺杂对氧还原催化活性的影响，但是未考虑对BaFeO_3-δ钙钛矿阴极在B位进行Bi₂O₃掺杂对氧还原催化活性的影响。CN102208663A公开了一种过渡金属元素B位掺杂的BaFeO_3-δ基的ABO₃型钙钛矿燃料电池阴极材料及其用途，对BaFeO_3-δ钙钛矿阴极在B位进行金属元素掺杂，如Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo，但却未对Bi位进行Bi₂O₃掺杂对氧还原催化活性进行研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种BaFeO_3-δ基B位Bi₂O₃掺杂的固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法和应用，来改善现有材料的不足。本发明对BaFeO_3-δ钙钛矿型阴极材料进行B位Bi₂O₃掺杂，来提高材料的电化学性能，以获得电化学性能良好、结构稳定、热膨胀系数适宜的SOFC阴极材料。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种BaFeO_3-δ基B位Bi₂O₃掺杂的固体氧化物燃料电池阴极材料，具有钙钛矿型结构，其组成分子式为BaFe_1-xBi_xO_3-δ，其中δ表示氧过剩量或缺乏量，-1≤δ≤1，x表示Bi₂O₃的掺杂量，0≤x≤0.5。

本发明在BaFeO_3-δ基上B位进行Bi₂O₃的掺杂，可以提高BaFeO_3-δ材料的结构稳定性，增强导电性能和氧还原催化性能，这些特点使本发明成为中低温固体氧化物燃料电池的理想材料。