[发明专利]一种高性能质子导体陶瓷膜反应器电解池阳极材料

说明书

本发明涉及一种高性能质子导体陶瓷膜反应器电解池阳极材料，所述阳极材料由铜和钇共掺杂的BaZr_0.2Ce_0.8O_3‑δ基材料和YBa₃Cu₂O_7‑δ晶相复合组成，所述阳极材料的化学组成式为：Ba_1+zZr_0.2Ce_0.8‑x‑yCu_xY_yO_3‑δ，其中x=0.1～0.5、y=0.1～0.25、z=0.02～0.1。该阳极材料不但具有优异的中低温（400~600℃）催化活性和良好的化学稳定性，而且化学组成、热膨胀性能与BaCeO₃基质子导体电解质材料相近。采用本发明提供的阳极材料制备的陶瓷膜反应器电解池具有高的水蒸气电解效率和高的CO₂转化及甲醇产率，而且大大提高了电解池在高温长时间电解工作条件下的化学稳定性和结构稳定性，从而提高电解池性能和延长使用寿命。

技术领域

本发明属无机非金属材料（陶瓷）领域，具体是一种高性能质子导体陶瓷膜反应器电解池阳极材料。

背景技术

高温质子导体陶瓷膜电解池可电解水制备氢气，或电解水产生高活性质子并进一步与二氧化碳反应合成碳氢燃料以替代传统的化石燃料，也可用于加氢反应与其他有机气体合成化工原料，其工作过程可采用丰富的可再生能源（风能、太阳能、地热能等）或先进核反应堆及其它工业废热等作为能量来源，对解决当前日益严峻的环境和能源问题、减缓能源危机具有重要意义，显示出了良好的应用前景，因而基于陶瓷膜电解池的陶瓷膜反应器近年来受到越来越多的关注，成为能源材料领域的研究热点之一。但目前关于陶瓷膜电解池的研究多集中于氧离子导体陶瓷膜电解池，而对质子导体陶瓷膜电解池的研究相对较少。对于高温水蒸气电解，质子导体陶瓷膜电解池无疑具有明显的优势，不但可在更低的温度下工作直接获得高纯氢气（无需后续的分离提纯）或高活性质子，还可与其它加氢反应过程耦合合成碳氢燃料或有机化工原料，能改善电池工作条件和长期稳定性及降低电池运行成本。

质子导体陶瓷膜电解池一般由阴极、质子导体电解质膜和阳极构成，其中电解池阳极作为水蒸气催化解离的唯一场所，是影响电解效率的最关键部分。现有的阳极材料一般采用La_0.6Sr_0.4MnO_3-δ（LSM）、La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ（LSCF）、Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ（BSCF）等钙钛矿结构材料，这些材料存在以下致命缺陷：（1）在高温水蒸气电解工作条件下(存在外电场和氢气)，化学稳定性差，阳极材料易分解使电解池性能快速衰减；（2）在中低温（400~600℃）条件下电催化性能差、电解效率低，所需工作温度一般要达到700~800℃，这一方面会降低阳极材料稳定性，另一方面对于陶瓷膜反应器，会导致合成碳氢燃料重新分解，影响合成产率；（3）与常用的BaCe_0.8-xZr_xY_0.2O₃基质子导体电解质材料的化学组成完全不同，在高温工作过程中，阳极材料与电解质膜之间容易产生相互扩散反应，导致阳极和电解质的化学组成改变和性能恶化；（4）LSCF、BSCF这些常用含钴阳极材料的热膨胀系数一般在质子导体电解质材料的2倍以上，导致电解池抗热震性差，阳极/电解质界面易开裂甚至阳极脱落，使电解池结构受到破坏。因此，为改善陶瓷膜电解池性能，亟需开发具有良好化学稳定性和高电催化活性并与电解质材料组成、性能匹配的阳极材料。