[发明专利]一种利用高温固态氧化物燃料电池制备纳米碳材料的方法

说明书

本发明提供了一种利用高温固态氧化物燃料电池制备纳米碳材料的方法，采用Ni基阳极积碳技术，选择燃料气体由乙醇、一氧化碳和水构成，并且控制乙醇、一氧化碳和水的摩尔比为(3～5):(2～4):(1～3)，同时调控SOFC的工作电流密度为0.1～1A/cm²，得到均匀稳定的纳米碳材料。该方法制备成本低、工艺简单、连续稳定，为制备纳米碳材料提供了一种新思路。

技术领域

本发明涉及纳米碳材料与高温固态氧化物燃料电池领域，尤其涉及一种利用高温固态氧化物燃料电池制备纳米碳材料的方法。

背景技术

纳米碳材料由于具有表面化学性质可控、比表面积高、环境友好等优点，近年来在各个领域收到了研究人员的广泛关注。以石墨烯为例，目前纳米碳材料的制备方法通常有机械剥离法、化学气相沉积法、氧化-还原法、溶液超声剥离等方法，但这些方法存在工艺流程复杂、成本较高等问题。

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，即SOFC)是在高温环境下运行的完全固态结构的燃料电池，工作时将燃料气及氧化气分别通入阳极和阴极，依靠两电极之间氧浓度差进行氧离子的驱动，从而将储存在燃料中的化学能高效地转化成电能。目前最常用的SOFC阳极材料是Ni-YSZ金属陶瓷，金属Ni具有高的导电率，对含碳燃料的重整反应以及碳的堆积生长反应具有相对高的电催化活性，能够促进含碳燃料发生如下反应：

2CO→C+CO₂

因此，可利用SOFC的Ni基阳极积碳制备碳材料。但是，目前利用SOFC的Ni基阳极积碳制备的碳材料中包含高分子量的烃类、初级碳，以及纳米级的碳材料等，即，碳的形式多样，其中混杂了无定型碳、石墨结构碳等，这是与燃料气的具体组分和含量，以及碳的形成和生长的条件相关的。

如何利用SOFC的Ni基阳极积碳制备出均匀稳定的纳米碳材料是目前科研工作者的研究课题之一。

发明内容

针对上述技术现状，本发明人利用SOFC的Ni基阳极积碳技术，经过长期大量实验探索研究，意外发现当燃料气体由乙醇、一氧化碳和水构成，并且乙醇、一氧化碳和水的摩尔比为(3～5):(2～4):(1～3)时，设置SOFC的工作电流密度为0.1～1A/cm²，得到的碳材料是均匀稳定的纳米碳材料。

即，本发明的技术方案为：一种利用高温固态氧化物燃料电池制备纳米碳材料的方法，所述的阳极材料为Ni基金属陶瓷材料，利用阳极积碳技术制得碳材料，其特征是：燃料气体由乙醇、一氧化碳和水构成，并且乙醇、一氧化碳和水的摩尔比为(3～5):(2～4):(1～3)，高温固态氧化物燃料电池的工作电流密度为0.1～1A/cm²。

所述的Ni基金属陶瓷材料不限，包括Ni-YSZ金属陶瓷等。

所述的高温固态氧化物燃料电池的基本结构包括电解质，多孔阳极以及多孔阴极，阳极中通入燃料，阴极中通入氧化剂气体，通过电解质与电极三相界面处的电化学反应产生电子，形成外部电子回路，最终产生电能与热能。所述的高温固态氧化物燃料电池的具体结构不限，包括平板型陶瓷电解质电池，根据强度支撑分类，平板型陶瓷电解质电池主要包括电解质支撑、阳极支撑以及阴极支撑三种类型。作为优选，所述的高温固态氧化物燃料电池结构是公开号为CN 106033819 A专利文献中提供的以支撑电极层为中心的上下分布型陶瓷电解质电池。更优选地，所述的高温固态氧化物燃料电池结构包括阳极支撑层、电解质层以及阴极层，电解质层包括第一电解质层与第二电解质层，第一电解质层位于阳极支撑层的上表面，第二电解质层位于阳极支撑层的下表面；阴极层包括第一阴极层与第二阴极层，第一阴极层位于第一电解质层的上表面，第二阴极层位于第二电解质层的下表面；阳极支撑层设置孔道，燃料气通入后进入孔道。第一电解质层与第一阴极层之间优选设置第一阻挡层，第二电解质层与第二阴极层之间优选设置第二阻挡层。