[发明专利]氧化钆掺杂氧化铈纳米复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种氧化钆掺杂氧化铈纳米复合材料的制备方法及其在固体氧化物燃料电池电解质中的应用。首先采用油浴的加热方式将还原糖和尿素混合物熔融成液体，再加入钆盐、铈盐进行络合反应，所得产物充分干燥、研磨后高温烧结，再次研磨所得粉末即为目标产物。本发明具有成本低廉、环境友好、安全可靠、适合工业化生产等优点，并且产物纯度较高、颗粒均匀、粒径小，在固体氧化物燃料电池领域有较好的应用前景。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种氧化钆掺杂氧化铈纳米复合材料的制备方法及其在固体氧化物燃料电池电解质材料中的应用。

背景技术

当前国内外对高效、环保的新发电技术以及减少对不可再生化石燃料依赖的需求迅速扩大，固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)作为一种能够将化学能直接转化为电能的高温电化学能量转换装置，由于其温室气体排放量低、燃料灵活性好、能量转换效率高等突出优点，越来越受到科学家的广泛关注。目前最先进的SOFCs由钇稳定氧化锆(YSZ)电解质、La_0.8Sr_0.2MnO₃钙钛矿阴极和Ni-YSZ金属陶瓷阳极组成。由于LSM阴极的纯电子导电性质以及YSZ电解质的导电率低，此类SOFCs需在高于850℃的温度下运行，为SOFCs技术的实际推广应用带来了诸多障碍，例如电池各层间热膨胀系数不匹配、燃料电池电堆寿命较短、维护成本较高等等。

如何开发一种能够在中低温下工作、成本低、稳定性好的固体氧化物燃料电池是当前亟待解决的问题。研究表明，使用锆基电解质会导致中低温时固体氧化物燃料电池的性能显著降低，具体表现为极化阻抗以及电解质材料的欧姆阻抗增加。为了降低中温范围内电解质的欧姆阻抗，国内外科学家们研究了多种替代材料，结果表明相对于传统的YSZ电解质，三价稀土元素掺杂的铈基氧化物在较低的温度范围内具有较高的离子电导率，表现出了作为中温固体氧化物燃料电池电解质的良好潜力。氧化钆掺杂的氧化铈(GDC)是由Gd³⁺部分取代Ce⁴⁺得到的萤石型氧化物，其作为铈基电解质中离子电导率最高的材料之一，目前被广泛应用于中低温固体氧化物燃料电池。

目前纳米氧化钆掺杂氧化铈电解质的制备方法主要包括溶胶凝胶法、微波燃烧法、高能球磨法、水热法、固相法和共沉淀法等，然而现有的这些方法都存在一些缺陷和不足，如使用了有毒、强酸性或强碱性的试剂或络合剂、反应温度和反应压力较高、反应动力学缓慢等，这些都会限制合成产物相纯度的提高及大规模生产。因此在受控条件下，采用简便、高效、廉价和环保的方法合成高纯度纳米GDC粉末十分必要且紧迫。

发明内容

本发明的目的在于克服现有纳米氧化钆掺杂氧化铈材料制备方法普遍存在的上述种种问题，开发了一种新的合成工艺，采用该工艺制得的纳米GDC颗粒更加均匀、粒径相对较小、纯度更高、性能更好。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

氧化钆掺杂氧化铈纳米复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：将还原糖和尿素混合均匀后加热熔融，再加入钆源和铈源进行络合反应，最后升温进行热处理即可。

进一步的，所述还原糖选自葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖、麦芽糖中的至少一种，所述钆源选自硝酸钆、钆喷酸葡胺、三(异丙醇)钆、水合碳酸钆、醋酸钆、三(环戊二烯化)钆中的至少一种，所述铈源选自硝酸铈、碳酸铈、醋酸铈、硝酸铈铵、异丙醇铈、2-乙基己酸铈中的至少一种。

进一步的，还原糖与尿素的质量用量比为1:0.1-10，钆源和铈源的总质量与还原糖的质量之比为1:10-100。

进一步的，钆源与铈源的摩尔比为x:(1-x)，其中0.1≤x≤0.3。

进一步的，加入钆源和铈源后的反应温度为90-120℃，反应期间的搅拌速度为500-1000r/min，反应时间为1-3h。