[发明专利]一种双功能低钴钙钛矿氧电极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种双功能低钴钙钛矿氧电极材料及其制备方法与应用。本发明采用两种方法制备化学式为Ba_0.95Fe_0.7Co_0.2Sc_0.1O_3‑δ(BFCS)的低钴钙钛矿材料，一是溶胶凝胶法：往金属溶液中加入柠檬酸和EDTA，再经过凝胶化、干燥、煅烧制得BFCS，二是高温固相法：将金属氧化物与分散剂混合研磨，经干燥和煅烧制得BFCS。本发明提供含A位缺陷的低钴钛矿型阴极材料BFCS，利用A位缺陷提升材料结构稳定性和混合导电性，且减少钴掺杂量可减少制备成本。本发明的BFCS可应用于中低温O‑SOFC和H‑SOFC，均表现出远高于其它富钴钙钛矿型阴极材料的氧还原活性。

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池技术领域，具体涉及一种双功能低钴钙钛矿氧电极材料及其制备方法与应用。

背景技术

燃料固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)具有清洁高效、全固态结构、燃料选择范围广等优点，故受到了人们的广泛关注。根据电解质材料的载流子(O^2-或H⁺)不同，SOFC可分为氧离子导体型SOFC(O-SOFC)和质子导体型SOFC(H-SOFC)。然而，这两种构型的SOFC都因工作温度(800-1000℃)过高，产生了一系列操作问题，诸如密封困难、电极烧结、电极与电解质界间的化学扩散等，严重影响电池工作寿命和增加运行成本，进而限制了其在商业上的大规模应用。目前改进SOFC的主要途径就是尽可能地降低SOFC的工作温度至中温(600-800℃)甚至低温(400-600℃)范围内，但随着工作温度的降低，阴极极化电阻和电解质欧姆电阻会随即增加，导致电池整体性能的急剧下降。由于电解质薄膜化技术的应用，阴极的极化损失成为电池性能衰减的主要来源。因此，开发高氧还原性能的阴极材料是促进SOFC中低温化发展的关键。目前，高性能SOFC阴极材料主要为富钴钙钛矿型氧化物，但因其钴的含量高，使得阴极材料的制备成本高和操作稳定性较差，难以大规模应用；且可应用于O-SOFC和H-SOFC的高性能双功能阴极材料的开发研究还较少。因此研发一种低钴高性能双功能钙钛矿型氧化物阴极材料对于促进SOFC中低温化发展具有重要意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种双功能低钴钙钛矿氧电极材料，其化学式为Ba_0.95Fe_0.7Co_0.2Sc_0.1O_3-δ(BFCS)，可采用溶胶凝胶法或高温固相法制得，通过将少量的Co和Sc掺杂到B位Fe元素中，并在A位Ba元素中引入少许缺陷，从而增强材料的结构稳定性和混合导电性，使得BFCS成为中低温O-SOFC和H-SOFC阴极的理想材料。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供了一种双功能低钴钙钛矿氧电极材料，所述双功能低钴钙钛矿氧电极材料的化学式为Ba_0.95Fe_0.7Co_0.2Sc_0.1O_3-δ(BFCS)，所述δ为氧空穴浓度，0.1δ1。

本发明还提供了一种双功能低钴钙钛矿氧电极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将钡盐、铁盐、钴盐和钪盐依照化学式的计量比制成原料溶液；

S2、往原料溶液加入EDTA、柠檬酸和氨水的络合剂溶液，再调节混合溶液pH值至6～7制得溶胶，再将溶胶依次经过凝胶化、干燥、煅烧制得双功能低钴钙钛矿氧电极材料。

优选地，步骤2中，所述原料溶液中的总金属离子、EDTA、柠檬酸与氨水中的铵根离子的摩尔比为1:(1～1.5):(2～2.5):(10～12)。