[发明专利]一种NiFe合金纳米颗粒包覆Pr0.8

说明书

本发明公开了一种NiFe合金纳米颗粒包覆Pr_0.8Sr_1.2(FeNi)O_4‑δ材料及其制法。将钙钛矿结构的Pr_0.32Sr_0.48Fe_1‑xNi_xO_3‑δ(PSFN)材料在还原性气氛中相变原位析出为NiFe合金纳米颗粒包覆的Pr_0.8Sr_1.2(FeNi)O_4‑δ层状钙钛矿氧化物，并将其用于固体氧化物燃料电池阳极。NiFe纳米颗粒和层状钙钛矿氧化物基体的协同作用使该材料具有良好的导电性能、较低的极化电阻和催化活性，且在碳氢燃料中不易发生积碳。以该材料作为阳极的单电池最大功率在800℃的工作温度下氢气中为983mWcm^‑2，丙烷中高达770mWcm^‑2，可作为一种新型的SOFC电极材料使用。

技术领域

本发明属于电极材料领域，具体涉及一种NiFe合金纳米颗粒包覆Pr_0.8Sr_1.2(FeNi)O_4-δ材料及其制法。

背景技术

随着能源危机日益严峻，如何高效快速的利用清洁能源、发展能量存储与转换技术成为解决能源发展问题的关键。燃料电池是一种通过电化学反应将燃料中化学能直接转化为电能的发电装置，固体氧化物燃料电池（SOFC）作为燃料电池中的一种，除了具有高效清洁的优点外，它还是

全固态电池结构，不存在电解质流失与腐蚀问题，安全性高，可长期运行。固体氧化物燃料电池燃料适应范围广，纯度要求低。

固体氧化物燃料电池的主体结构包括阳极层、电解质层、阴极层等。传统的Ni基金属陶瓷阳极因为具有较低的成本、良好的催化效果和电子导电性能等，是目前SOFC中最常用的阳极材料之一。但是Ni易催化C-C键的形成，产生积碳，导致性能衰减严重，限制了其在碳氢燃料中的应用。近年来，SOFC 阳极材料的研究重点在发展抗积碳的阳极材料。

具有混合电子离子导电性的钙钛矿氧化物阳极材料成为了SOFC的研究重点。钙钛矿结构稳定，可以在AB位进行双重掺杂，提高电子导电性以及氧空位含量，制备催化性能好，氧空位多，有一定抗积碳性能的钙钛矿材料。尽管如此，这些钙钛矿阳极的催化活性、导电性和功率密度仍远低于传统的Ni-YSZ。研究表明，在钙钛矿阳极材料中复合具有催化效果的Ni、Fe、Co以及Ru等金属纳米颗粒是提高其催化性能的有效方法。而且钙钛矿材料具有还原条件下B位过渡金属原位脱溶到材料表面的特质，称为原位析出，因此本发明利用这一特点，使钙钛矿阳极材料在测试过程中原位析出局域催化效果的过渡金属，进一步提高阳极的催化活性以及抗积碳性。

本发明的层状钙钛矿结构的Pr_0.8Sr_1.2(FeNi)O_4-δ氧化物，可作为SOFC的阳极或阴极材料，A位缺陷的钙钛矿材料具有更多的氧空位，利于阴极的ORR反应，可以作为阴极材料。且在B位掺杂的Ni阳离子在氢气等还原气氛下会和Fe元素以双金属合金纳米颗粒的形式析出在基体表面，金属纳米颗粒不仅能提高材料的电子导电性和对燃料的催化反应，而且相比于Ni单金属对碳氢燃料具有一定的抗积碳性能，具有较高的功率输出密度和良好的循环温度性能。因此，开发一种NiFe金属合金纳米颗粒包覆层状钙钛矿氧化物电极材料能提高催化活性，电子离子导电性以及抗积碳性，是一个非常有意义的课题。

发明内容

本发明解决的是目前的SOFC电极材料性能不理想，抗积碳性能差等技术问题。该方法所制备的合金包覆层状钙钛矿结构的Pr_0.8Sr_1.2(FeNi)O_4-δ材料，通过在AB位进行不同价态的双掺杂，提高了其电子离子导电性。A缺位促进B位过渡金属的析出，提高材料燃料的催化活性。在氢气为燃料时具有较高功率的输出密度和良好的循环性能，同时该材料用于碳氢燃料也不易发生积碳效应。工艺过程相对简单，成本较低、易于产业化，