[发明专利]一种磷灰石型硅酸镧的制备方法

说明书

本发明提供一种磷灰石型硅酸镧的制备方法，由易溶于水的镧盐和硅酸盐通过沉淀反应法制备，利用镧离子与硅酸根离子优先反应的特性，使硅酸根离子以硅酸镧的形式沉淀析出，多余的镧离子与碱性溶液反应生成La(OH)₃沉淀，La(OH)₃和硅酸镧在高温下焙烧生成磷灰石型硅酸镧。本发明提供的方法以廉价的硅酸盐代替了硅酸四乙酯，采用沉淀法制备磷灰石型硅酸镧，制备方法简单，焙烧温度低，制备出的磷灰石型硅酸镧具有成本低、纯度高的特点。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池领域。

背景技术

燃料电池具有能量转换率高、环境友好、无机械噪音、不同功率适应强和安全可靠等优点，将逐步取代传统发电系统，缓解环境污染，解决电力短缺等问题。目前已经开发了多种燃料电池，固体氧化物燃料电池(SOFC)是其中的一种。固体氧化物燃料电池作为一种将化学能转化为电能的系统，具有高能量转化效率和低污染等优点，是目前最具潜力的新型能源之一。电解质是固体氧化物燃料电池的核心部件，它的主要作用是传递氧离子，同时隔绝燃料与氧气。固体氧化物燃料电池的电解质主要包括萤石型电解质、钙钛矿型电解质和磷灰石型电解质。其中，磷灰石型电解质是中低温下具有较高的离子电导率和低活化能的新型固体电解质。磷灰石型硅酸镧的活化能低、热膨胀性能适中，是中低温固体氧化物燃料电池电解质的一种候选材料；但是目前关于磷灰石硅酸镧电解质的研究仍处在起始阶段，其合成和烧结过程是限制这类材料发展的重要因素。

文献中报道的有关磷灰石硅酸镧的制备方法，除了传统的固相法外，主要包括溶胶－凝胶法、冷冻干燥法、共沉淀法等。传统的固相法采用的原料是SiO₂和La₂O₃，所制备的磷灰石型硅酸镧纯度较差，含有较多的La₂O₃和La₂SiO₅。溶胶凝胶法、冷冻干燥法和共沉淀法采用的原料是硅酸四乙酯和硝酸镧，制备过程中用到了有机硅和乙醇，虽然制备的磷灰石型硅酸镧纯度高，但生产成本也高。而文献(Chieko Yamagata et al.Facilepreparation of apatite-type lanthanum silicate by a new water-based sol-gelprocess[J].Materials Research Bulletin,2013,48:2227-2231)提出了一种使用廉价的硅酸钠为原料制备磷灰石硅酸镧的方法，但其方法是建立在硅溶胶的基础上的，即先在酸性环境中，把硅酸钠转化为硅溶胶，然后再加入硝酸镧溶液搅拌均匀，最后滴加到氨水中使镧沉淀在硅溶胶上，从而制备磷灰石硅酸镧。文献(Agatha Matos Misso et al.LowTemperature Synthesis of Lanthanum Silicate Apatite Type by Modified Sol GelProcess[J].Advanced Material Research,2014,975:143-148)也提出了一种使用廉价的硅酸钠为原料制备磷灰石硅酸镧的方法。其方法是在强酸性的硝酸镧溶液中，直接加入硅酸钠溶液，然后过夜搅拌使产生溶胶，再变成凝胶，然后烘干、焙烧，用水洗涤钠离子，然后再次焙烧，才得到磷灰石硅酸镧。这种方法用到了强酸，对设备要求比较高；而且使用焙烧-水洗-焙烧的过程，增加了生产成本；另外，焙烧后的颗粒较大，即使用水洗钠离子，也只能洗去表面的，颗粒内部的钠离子无法洗涤，也就是说产物中会含有一定量的钠；最后，所得产物需较高的焙烧温度：在900℃焙烧得到的磷灰石硅酸镧含有杂质，只有在更高温度比如1200℃下焙烧才能得到纯磷灰石硅酸镧。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺点，提出了一种新的磷灰石型硅酸镧的制备方法。

一种磷灰石型硅酸镧的制备方法，所述磷灰石型硅酸镧结构通式为La_9.33+xSi₆O_26+3x/2，其中0≤x≤0.67，其制备方法包括以下步骤：