[发明专利]一种核‑壳纳米纤维结构中低温固态氧化物燃料电池阴极及其静电纺丝制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种核-壳纳米纤维结构中低温固态氧化物燃料电池阴极及其静电纺丝制备方法，属于功能材料领域。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种极具应用前景的绿色替代能源，将工作温度由1000℃高温降低至500-700℃中低温范围，是目前SOFC领域的重要发展方向。随着SOFC工作温度的降低，阴极的氧还原催化活性下降，极化阻抗迅速增大，成为限制中低温SOFC输出功率的关键因素；工作温度的降低也将加剧阴极表面的CO₂吸附毒化，导致阴极催化活性进一步下降，SOFC内损耗增大；此外，阴极与电解质材料之间的热膨胀系数匹配性也影响SOFC制备与热循环过程中的结构与性能稳定性。因此，研发在500-700℃温度范围具有高氧还原催化活性、抗CO₂表面吸附毒化并且热膨胀系数与电解质材料相匹配的阴极材料对于促进中低温SOFC的发展与应用具有重要意义。

Chen 等人(Yan Chen, Zhuhua Cai, Yener Kuru, Wen Ma, Harry L.Tuller, Bilge Yildiz, Advanced Energy Materials, 2013, 3, 1221.)利用泵浦激光沉积技术制备了La_0.8Sr_0.2CoO₃/ (La_0.5Sr_0.5)₂CoO₄异质界面结构多层薄膜，500℃下氧还原反应速率提高几个量级，阴极的氧还原催化活性显著增强，但这种多层薄膜材料需要昂贵、特殊的制备设备，成本高，不利于阴极的批量生产与大规模应用，并且不能解决阴极的CO₂表面吸附毒化和热膨胀系数高问题。Zhou 等人(Wei Zhou, Fengli Liang, Zongping Shao, Zhonghua Zhu, Scientific Reports, 2012, 2 : 327) 利用溶液渗透-微波等离子体加热方法在Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ(BSCF) 颗粒表面制备La₂NiO_4+δ保护层，提高了BSCF阴极在含CO₂气氛中的氧还原反应催化活性及性能稳定性，为解决含碱土金属离子钙钛矿阴极的CO₂表面吸附毒化问题提供了有效的解决方案，但是，由于La₂NiO_4+δ保护层的氧离子电导率低，不利于阴极的氧表面交换过程，导致所制备阴极的氧还原催化活性不高，并且依然存在热膨胀系数过高问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种核-壳纳米纤维结构中低温固态氧化物燃料电池阴极及其静电纺丝制备方法，通过构筑核-壳纳米纤维结构增强中低温固态氧化物燃料电池阴极的氧还原催化活性、抗CO₂表面吸附毒化能力以及结构与性能稳定性，并且利用静电纺丝进行制备，简化制备工艺，降低制备成本。

本发明采用的技术方案是：一种核-壳纳米纤维结构中低温固态氧化物燃料电池阴极，所述核-壳纳米纤维结构阴极由纳米纤维核与纳米外壳层构成，所述纳米纤维核与纳米外壳层分别由钙钛矿结构离子-电子混合导体氧化物组分A与氧离子导体电解质组分B构成，或者相反，由钙钛矿结构离子-电子混合导体氧化物组分A构成纳米外壳层，氧离子导体电解质组分B构成纳米纤维核；所述纳米纤维结构中，纳米纤维核直径为50-500纳米，纳米外壳层厚度为100-800纳米。

一种核-壳纳米纤维结构中低温固态氧化物燃料电池阴极的静电纺丝制备方法， 首先分别配制钙钛矿结构离子-电子混合导体氧化物组分A纺丝前驱体溶液和氧离子导体电解质组分B纺丝前驱体溶液，然后将两种纺丝前驱体溶液分别注入内层与外层纺丝通道内，或者将钙钛矿结构离子-电子混合导体氧化物组分A纺丝前驱体溶液和氧离子导体电解质组分B纺丝前驱体溶液注入相反纺丝通道，进行同轴纺丝，制备同心复合纤维，纤维经干燥、高温烧结，获得由钙钛矿结构离子-电子混合导体氧化物组分A和氧离子导体电解质组分B构成的两种不同核-壳纳米纤维结构阴极材料；本发明所述的核-壳纳米纤维结构阴极的具体制备步骤如下：