[发明专利]一种镧/镍掺杂锶铁钼氧的钙钛矿结构电极催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种镧/镍掺杂锶铁钼氧的钙钛矿结构电极催化材料及其制备方法和应用，所述镧/镍掺杂锶铁钼氧的钙钛矿结构电极催化材料的化学式为La_xSr_2‑3x/2Fe_1.5‑yNi_yMo_0.5O_6‑δ，0＜x＜0.6，0＜y＜0.5，δ值代表材料在不同气氛中出现的氧缺位。

技术领域

本发明涉及一种镧/镍掺杂锶铁钼氧的钙钛矿结构电极催化材料及其制备方法和应用，属于催化材料制备领域。

背景技术

随着现代工业的发展与人们生活水品的提高，社会对电能的需求日益增加。相对于利用内燃机的排热发电的煤气化复合发电系统(IGCC)而言，固体氧化物燃料电池系统(SOFC)拥有能量转换效率更高，可实现热电联供，尾气洁净无污染等优点，引起人们极大的关注。

燃料电池的主要组成结构包括阳极、电解质、阴极，其中阳极发生燃料气体的氧化反应。传统燃料电池的阳极材料主要有两种：Ni或Ni-陶瓷复合材料以及钙钛矿结构的纯陶瓷材料。对于Ni或Ni-陶瓷复合材料，虽然在制备过程中NiO还原成Ni并不会对电池结构造成破坏，然而在作为电池阳极工作时，由于高温以及电流的作用导致金属Ni在电极表面重新分布，出现Ni颗粒粗化现象，阳极体积发生变化。而与其相连的电解质体积保持不变，最终因内应力而出现开裂^[1]。同时当电池运行在高燃料利用率状态下，部分Ni催化剂会发生氧化，加剧了阳极体积膨胀，电解质开裂问题更为显著。对于常见的钙钛矿结构的纯陶瓷相的阳极催化剂^[2]，就不会因高温下体积的明显变化导致电池结构的破坏，同时对于含碳燃料拥有较好的抗硫抗、积碳能力，但是由于其较低的导电性与缺乏合适的表面催化位点等问题，导致中低温条件下阳极催化活性较差。因此，需要寻找一种像金属一样，在中低温下有较高电极催化性能，同时还能在使用过程中能保持一定稳定性的电极催化材料。

Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-δ(SFM)是常见的钙钛矿结构燃料电池阳极催化材料^[3]，其具有较高的导电性与化学稳定性，能有效避免积碳问题与硫中毒问题。然而其较低的催化活性限制了其进一步的实用。在制备好的电极催化剂表面浸渍少量Ni(NO₃)₂，能有效提高催化活性^[4]，在800℃下氢气燃料最大功率达到1.13W/cm²，但中温下的性能以及中长期稳定性并没有报道。

钙钛矿材料在还原性气氛下B位元素会在表面富集，而当B位元素电负性足够大时，将形成金属颗粒原位析出。因此，对于SFM钙钛矿阳极材料，采用B位掺杂Ni元素合成Sr₂Fe_1.5-xNi_xMo_0.5O_6-δ材料，并发现x＝0.1时拥有最高的功率密度(750℃，650℃是分别为1.27W/cm²与0.33W/cm²)^[5]。SFM材料中Fe/Ni比例的不同会影响其导电性与稳定性。制备Ni掺杂Sr₂FeMoO_6-δ(Ni取代另外材料中的Mo元素)，合成的Sr₂FeMo_0.65Ni_0.35O_6-δ作为燃料电池阳极催化剂，在750℃时最大功率密度为590mW/cm²，并在相同温度下440mW/cm²平稳运行24小时^[6]。然而当Ni掺杂SFM材料长期在还原性气氛中工作时，析出的金属颗粒会对电池催化剂表面造成影响，导致表面的结构被破坏，同时也会发生金属颗粒团聚等问题。

参考文献