[发明专利]一种铋掺杂固体氧化物电池燃料极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种铋掺杂固体氧化物电池燃料极材料及其制备方法与应用；本发明提供一种铋掺杂固体氧化物电池燃料极材料，其化学式为La_1‑x‑zM1_xBi_zCr_1‑yM2_yO_3‑δ，M1为碱土金属，M2为过渡金属；0＜x＜1.0，0＜y＜1.0，z为Bi的掺杂量。本发明实施例中Bi掺杂LSCrF钙钛矿型燃料极材料的催化活性明显增强；在氧化气氛和还原气氛以及高温条件下，本发明这种Bi掺杂的钙钛矿氧化物燃料极材料都保持着较好的化学和结构稳定性，其与典型的电解质材料有较好的化学相容性和热相容性。并且，本发明中Bi元素更加廉价易得，Bi掺杂的制备方法也更加简便、易操作，利于在固体氧化物电池中的应用。

技术领域

本发明涉及固体氧化物电池燃料极材料技术领域，具体涉及一种铋掺杂固体氧化物电池燃料极材料及其制备方法与应用。

背景技术

固体氧化物电池(SOC)的应用分为两种模式，一种是固体氧化物燃料电池(SOFC)，可以将储存在燃料中的化学能直接转换为电能；另一种是固体氧化物电解电池(SOEC)，可利用太阳能、风能等清洁能源，将水和二氧化碳高温电解为氢气和一氧化碳。原理上，SOFC和SOEC互为逆反应过程：在SOFC中，燃料如氢气和一氧化碳在SOFC的阳极(燃料极)发生电化学氧化反应，产生电能；在SOEC中，水和二氧化碳在SOEC的阴极(燃料极)发生电化学还原反应，生成氢气和一氧化碳，从而将能量储存在燃料中。SOFC和SOEC都具有能量转换效率高、清洁无污染等优点，因此受到了越来越广泛的关注。其中，燃料极是SOC的重要组成部分，燃料极的性能直接影响着SOC的总体性能。燃料极材料一般需要具备较高的离子电导率和电子电导率，同时应该具有较高的阳极氧化催化活性和阴极还原催化活性。此外，燃料极材料在SOFC和SOEC工作条件下应该具有良好的化学和结构稳定性。

目前，最常用的燃料极材料是Ni-YSZ金属陶瓷基燃料极，其中YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)作为离子导体材料，Ni作为电子导体以及催化剂材料，Ni-YSZ金属陶瓷基燃料极具有高的电子电导、离子电导和催化活性。然而，根据文献Fundamental mechanismsinvolved in the degradation of nickel-yttria stabilized zirconia(Ni-YSZ)anodeduring solid oxide fuel cells operation:A review(M.S.Khan,S.Lee,R.Song,J.Lee,T.Lim,S.Park.Ceramics International42(2016)35–48)的报道，当以碳氢燃料和含硫的燃料作为SOFC的燃料时，Ni-YSZ燃料极存在严重的碳沉积和硫中毒等问题；此外，细分散的Ni颗粒在SOC高温操作下易发生颗粒粗化和团聚的现象，从而降低Ni的催化活性。这些问题都将导致SOC严重的性能衰减，因此，找到一种稳定的、抗积碳和硫中毒的燃料极材料是非常重要的。

LaCrO₃基钙钛矿型氧化物(ABO₃)燃料极材料是一种同时具有离子电导和电子电导的混合导体材料，与Ni-YSZ金属陶瓷基燃料极相比，这种混合导体燃料极材料可将反应活性区域扩展到整个电极表面；同时，LaCrO₃基氧化物在很宽的氧分压和温度范围内可以保持化学和结构稳定性，故LaCrO₃基氧化物有望成为SOC燃料极的优选材料之一。但是这种材料的催化活性较差，最终导致SOFC的输出性能和SOEC电解性能较低，不能直接用于SOC。因此，如何提高LaCrO₃基氧化物的催化活性是实现LaCrO₃基氧化物作为SOC燃料极的关键。