[发明专利]一种用于固体氧化物燃料电池阴极的纳米核壳结构催化剂及其制备方法和用途

说明书

本发明公开了一种用于固体氧化物燃料电池阴极的纳米核壳结构催化剂及其制备方法和用途，所述纳米核壳结构催化剂由壳层和核层构成，壳层包裹在核层外，其中，核层的材料为贵金属，壳层的材料为多孔萤石结构材料。该核壳结构催化剂修饰常见的燃料电池阴极材料(如SrSc_0.05Nb_0.025Co_0.9O_3‑δ等)，提高燃料电池效率，提升电池功率密度，并且经过较长时间的电化学性能测试能够保持较好的外观形貌及催化特性。

技术领域

本发明属于高比能量密度的固体氧化物燃料电池领域，具体涉及一种纳米核壳结构催化剂及其制备方法和用途。

背景技术

当今社会，经济的持续增长和人类生活水平的稳步提高，使得对能源的需求日益增长。然而，石油、煤炭等化石能源在使用过程中会产生大量的污染物，并且化石能源的储存量是有限的，过度的开采和使用化石能源势必造成能源危机与环境危机。当今世界，能源已经成为各国首要解决的问题，以大力发展可再生能源替代化石能源、降低碳排放为主要内容的能源转型，已经成为很多国家能源政策的重要内容。中国提出能源转型的口号，从对传统化石能源的依靠逐渐向新型能源的利用过渡，发展新能源是能源转型的重要一步。相比于其他新能源，燃料电池格外受瞩目，因其具有低污染、高效率等优点，在燃料电池类型中，固体氧化物燃料电池又由于自身的突出优点而备受关注。

固体氧化物燃料电池(SOFC)中，阴极的基本功能是催化氧还原过程，将氧气分子还原成氧离子。而氧的电化学活化是一个非常困难过程，尤其在中低温条件下需要较高的活化能还原成氧离子。为了提高燃料电池的效率，寻找性能优越的阴极催化剂，成为众多阴极研究者的关注点。研究表明，在钙钛矿阴极材料中浸渍少量贵金属元素如Pt、Pd、Ag、Au等能有效提高阴极在低温下的催化活性，提高电池效率。例如，Ag作为一种廉价贵金属材料，具有较高的催化活性和高的电子导电性，成为常用的阴极表面修饰材料。然而，Ag在实际应用中有着一定的局限性。在相对较高的工作温度和极化条件下Ag颗粒会长大进而导致性能衰弱。相关文献报道，将不易烧结的氧化物包覆各种贵金属制成核壳结构可以提高贵金属的稳定性。研究者曾经也制备了Ag@CeO₂修饰SSNC阴极，显示了良好的氧还原催化性能和较长时间的稳定性，但是采用的是水热法合成，造成了核壳纳米颗尺寸高达200nm，导致Ag颗粒比表面低，浸渍量少，且分布不均。同时，CeO₂壳层孔道少，造成Ag的有效活性位降低，参考文献Fengli Liang,Wei Zhou,and Zhonghua Zhu.A Highly Stable and ActiveHybrid Cathode For Low Temperature Solid Oxide Fuel Cells.ChemElectroChem,DOI:10.1002/celc.201402143近年来相关文献报道，采用反胶束法合成的核壳结构纳米颗粒尺寸较少，比表面积大，具有较好的催化活性。但是很少有人将他们用于固体氧化物燃料电池的阴极。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于固体氧化物燃料电池阴极的纳米核壳结构催化剂，该催化剂经过长时间的电化学性能测试，核壳催化剂能够保持形貌稳定性和催化活性。

本发明的另一个目的是提供一种用于固体氧化物燃料电池阴极的纳米核壳结构催化剂的制备方法，采用反胶束法制备出所述纳米核壳结构催化剂，通过模板法制备出多孔结构，在保护贵金属颗粒不会烧结长大的同时又保证氧气能透过壳材料与贵金属颗粒反应，反应产生的氧离子快速传导进入钙钛矿阴极基体。

本发明的在一个目的是提供上述的纳米核壳结构催化剂的用途。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于固体氧化物燃料电池阴极的纳米核壳结构催化剂，所述纳米核壳结构催化剂由壳层和核层构成，壳层包裹在核层外，其中，核层的材料为贵金属，壳层的材料为多孔萤石结构材料。