[发明专利]用于从钙钛矿金属氧化物生产电极催化剂的方法

说明书

本发明涉及一种生产用于固体氧化物电池的电极材料的方法，该方法包括向具有钙钛矿晶体结构的金属氧化物施加电势。所得到的电极催化剂呈现出优异的电化学性能。本发明延伸至电极催化剂本身以及包括该电极催化剂的电极和固体氧化物电池。

技术领域

本发明涉及一种生产用于固体氧化物电池的电极材料的方法。具体地，本发明涉及一种生产电极催化剂的方法，该方法包括向具有钙钛矿晶体结构的金属氧化物施加电势。该方法效率极高。所得到的电极催化剂呈现出优异的电化学性能。本发明延伸至电极催化剂本身以及包括该电极催化剂的电极和固体氧化物电池。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解电池(SOEC)共同被称为固体氧化物电池(SOC)。分别地，SOFC提供用于电力生产的燃烧技术的有效替代，并且SOEC在将蒸汽和二氧化碳转化为氢气和一氧化碳中提供增强效率。固体氧化物电池由两个多孔电极组成：通过致密电解质分离的H₂(燃料)电极和O₂(空气)电极。尽管已确认了几种高性能空气电极材料¹，但是，由于其必须满足众多需求，尚未找到理想的燃料电极材料；在这些需求中，主要的是电子和离子导电性以及用于期望反应(例如，水分解和H₂氧化)的催化活性。¹长时间以来，由Ni金属和氧化钇稳定的氧化锆组成的金属陶瓷(陶瓷金属复合材料)已被认为是该功能三位一体的实施方式。然而，即使与可逆操作相关的降解可减轻，²金属陶瓷阳极也易受到许多其他形式降解的影响。³为了缓解这一点，近来的电极设计已发展为由利用金属纳米微粒(通常Ni)装饰的多孔混合离子电子导体骨架组成的微观结构^1,4。这些结构通常通过多步骤过程(例如，物理沉积⁵或化学渗透⁴)形成，并且需要专用前体、设备，并且通常需要几天才能完成。更简单的替代方案是氧化还原出溶，通过该氧化还原出溶，催化活性金属在氧化条件下在骨架的晶格中被取代，形成固溶体，并且随后在暴露至H₂气氛(此后被称为氢还原)时作为金属颗粒释放(出溶)在表面上。^6-8尽管该过程可原位一步进行，使得电池制造明显简化，但是由于氧化物在体相和表面上的相对慢的离子扩散，时间仍然相对过长(10-30小时)。^8,9此外，这可限制出溶的总体程度，并且因此限制最终表面颗粒数，导致电化学性能不佳。

在推进该技术时所要解决的关键技术挑战是性能、耐用性和成本。这三者都需要并行实现；然而，通常，存在竞争性张力(competitive tension，竞争程度)，这意味着，例如，以耐用性为代价实现性能。固体氧化物燃料电池(即，SOFC)模式和固体氧化物电解电池(即，SOEC)模式的固体氧化物电池所面临的最大挑战是在确保成本和时间有效的电极制造的同时传递高且持久的电催化活性。

本发明试图解决以上识别的问题和/或挑战中的一个或多个。

发明内容

在第一方面中，本发明提供一种生产电极催化剂的方法，该方法包括向钙钛矿金属氧化物施加电势。

本发明基于如下发现：所施加的电势可有助于控制用于钙钛矿金属氧化物中的金属的出溶的驱动力，并且可显著增强出溶以生成，几乎立即生成具有显著的电化学活性和稳定性的丰富纳米结构。具体地，已发现，与通过H₂还原的传统钙钛矿金属氧化物相比，向钙钛矿金属氧化物施加电势使得出溶能够快了大于两个数量级、表面金属颗粒数高几倍并且电化学性能增加约一个数量级。

在第二方面中，本发明提供一种通过本发明的第一方面的方法可获得或获得的电极催化剂。电极催化剂包括基于钙钛矿金属氧化物的晶格支撑金属颗粒。该金属颗粒是出溶金属颗粒，尺寸小，并且它们致密地填充晶格表面。据认为，该金属颗粒是在关键界面处生成的，以用于电催化活性。

在第三方面中，本发明提供一种包括本发明的第二方面的电极催化剂的电极。