[发明专利]一种铜铁矿型氧化物及用于低温燃料电池材料和制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铜铁矿型氧化物及用于低温燃料电池材料和制备方法，具体说是利用铜铁矿制作新型燃料电池，属于新能源利用技术领域。

背景技术

最近出现的一直新型构型的无电解质燃料电池，使用半导体-离子的复合材料，不要电解质也不用阳极、电解质、阴极的结构，其简单的结构和技术，除去了电解质的限制和对操作温度的要求，显示了巨大的商机和燃料电池产业化的前景。文献Advanced Functional Materials and Energy Enviornmental Science 报道了基于半导体和离子导体材料的均匀混合的单部件成功获得了传统阳极。电解质和阴极三部件燃料电池相当的燃料电池性能。Nature Nanotechnology选为研究亮点报道并命其名名为“三合一Three in One”.

在无电解质燃料电池的核心部件材料中，合适的半导体和离子导体材料的配比和匹配是决定性的因素。铜铁矿型氧化物材料是p-型半导体材料，掺杂氧化铈是典型的离子导体。而在中国专利200810022144.1提出的低温固体氧化物燃料电池的电解质材料及其制备方法是基于金属复合物和稀土氧化物的复合材料。这种稀土-金属氧化物复合材料提供了良好的离子导电性并成功地用于电解质示范了低温固体氧化物燃料电池的优良性能。

中国专利号201010593786.4提出了采用掺杂氧化铈和Li, Ni, Cu, Zn等金属氧化物的复合材料构造该单部件燃料电池，并取得了良好的性能。但是广泛的金属氧化物材料还远远没有开发使用。特别是铜铁矿型氧化物材料，由于铜铁矿型氧化物广泛的资源，廉价，和良好的电池催化和电导特性，是一种非常有前景新型燃料电池材料。至今还没有见到关于采用它来实现单部件燃料电池的相关报道。

本发明将已有成功的稀土氧化物作为优良的离子导体，而铜铁矿型氧化物则是优良的半导体材料，用最新的无电解质燃料电池的技术，有望进一步发展实用和适用于市场的燃料电池产品。

发明内容

发明目的：本发明的目的是采用铜铁矿型氧化物作为无电解质燃料电池的单部件材料，实现了低温（300-600ºC）燃料电池并进行了评价。以发展一种新型商用价值高的市场化燃料电池产品。

技术方案：本发明的铜铁矿型氧化物材料可使用于无电解质燃料电池的单部件材料，其特征在于：是合成铜铁矿型氧化物：CuM1-xAxO2, 0 x 0.3, 材料以及它和稀土-金属氧化物形成的复合材料。材料的制备分为两部分：

1. 铜铁矿型氧化物的合成；

2.进一步和稀土氧化物形成复合材料的制备。

本发明的材料的铜铁矿型氧化物制备。其特征在于：

1）铜铁矿型氧化物CuMO2, M是Al、Cr、Fe、In、Sc、Y或La等三价金属离子; 以及用A (Mg、Ca、Ni、Sr和Zn)的正二价金属离子部分替代M形成的CuM1-xAxO2, x = 0 - 0.5. 制备以固相反应法、共沉淀法、溶胶-凝胶法或燃烧法制备铜铁矿型氧化物材料粉体；

2）制备稀土材料；

3）进一步制备铜铁矿和稀土材料的复合材料。

第一、铜铁矿的制备

M2O3, e.g. Y2O3, Fe2O3,.Cr2O3 等化学品和碱式碳酸铜或者C4H6CuO4 H2O 按照铜铁矿的组分Cu:M = 1:1（摩尔比）充分机械混合研磨，在800-1000C 2-20小时烧结获得的陶瓷粉体材料用来进一步制备和稀土复合的电池核心部件材料。

第二、 稀土材料的制备 使用工业级农业稀土为原料即硝酸稀土(主要成分为Ce和La标定为LC)或者混合碳酸稀土(主要成分为Ce、La和Pr， 标定为LCP). 前者溶于水中按照200克/升配比制备硝酸稀土溶液A。然后用碳酸钠或碳酸氢铵沉淀50克/升溶液B.将溶液B缓慢兑入溶液A同时搅拌生成白色沉淀。6-12小时老化，洗涤、过滤、干燥在700C烧结2小时获得稀土LC氧化物。后者混合碳酸稀土可以直接在700-800C2小时获得混合稀土LCP氧化物。

第三、铜铁矿-稀土复合材料的制备

将上述制备的铜铁矿和稀土氧化物按照不同的重量在1-95之间称量。两种直接进行混合，充分研磨得到含铜铁矿1-95%各种重量的铜铁矿型和稀土氧化物复合材料。

湿法