[发明专利]一种纳米结构含钴复合阴极材料的合成方法

说明书

本发明公开了一种高性能的固体氧化物燃料电池纳米结构含钴复合阴极材料的合成方法，制备过程为:将Ce(NO₃)₃·6H₂O、Gd(NO₃)₃·6H₂O、络合剂与去离子水混合，其中络合剂为柠檬酸与乙二胺四乙酸的混合物，加入氨水并不断搅拌使其充分溶解，随后升温搅拌至黏稠时加入PrBa_1‑xCa_xCo₂O_5+δ阴极粉体（其中，x为0~1），继续加热搅拌得到凝胶，将凝胶经干燥、煅烧得到纳米结构的复合阴极材料。本发明原料易得，工艺简单、稳定，可以以低制备成本获得纳米尺寸的复合阴极颗粒，所得复合阴极材料不仅兼具电子导电性与离子导电性，且其纳米结构显著提高了阴极的表面反应区，表现出突出的电化学催化活性。

技术领域

本发明属于燃料电池催化材料制备技术领域，具体涉及一种高性能的固体氧化物燃料电池纳米结构含钴复合阴极材料的合成方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池（SOFC）以其能够直接将化学能高效、无污染地转化成电能为优势，是21世纪能源结构转变的一个重要角色。它通过电化学反应将将氢气、合成气、甲烷等燃料的化学能直接转化为电能（热电联供效率高达~80%），避免了直接燃烧带来的NO_x、SO₂等污染物的排放。而作为SOFC的关键部件之一，阴极材料的研究将对SOFC的发展起到重大的推进作用。含钴钙钛矿材料具有突出的电子/离子混合导电性，在中低温区表现出优异的电化学催化活性。但其存在一些应用型问题，例如晶格元素的表面析出、在含CO₂、SO₂等气氛中化学稳定性差，在空气气氛中缺乏长期稳定性和热循环稳定性等。最近，学界报道了一种双层钙钛矿阴极材料PrBa_1-xCa_xCo₂O_5+δ（PBCC），在典型的SOFC运行条件下，在含CO₂的空气中表现出高ORR催化活性和优异的耐久性(Chen Y, Yoo S, Choi Y, et al. A highlyactive, CO₂-tolerant electrode for the oxygen reduction reaction[J]. Energy Environmental Science, 2018, 11(9): 2458-2466)。然而，PBCC的成相温度较高，导致其颗粒尺寸较大，降低了电催化活性。氧化钆稳定的氧化铈（Gd_xCe_1-xO₂，GDC）是一种广泛应用的中低温SOFC电解质材料，具有优异的离子导电性和表面交换系数。本发明将GDC加入PBCC中，旨在增加阴极的有效反应区域，优化阴极的离子/电子混合导电性能与ORR电化学催化活性。

发明内容

本发明提供了一种高性能的固体氧化物燃料电池纳米结构含钴复合阴极材料的合成方法。通过纳米修饰得到的复合阴极可在低温形成纳米结构的精细固溶体；同时，修饰体将增加阴极表面活性位点，优化ORR催化活性，得到一种高性能、高稳定性的纳米结构复合阴极。

本发明通过如下技术方案进行实施:

一种高性能的固体氧化物燃料电池纳米结构含钴复合阴极材料的合成方法，具体包括以下步骤:

（1）将Ce(NO₃)₃·6H₂O、Gd(NO₃)₃·6H₂O、络合剂与去离子水混合，加入氨水并不断搅拌使各成分充分溶解得到澄清溶液；

（2）将溶液在一定温度下加热，待溶液蒸发至底部冒泡时加入阴极粉体，继续加热搅拌，直至水分蒸发得到凝胶；