[发明专利]一种核‑壳纳米纤维结构中低温固态氧化物燃料电池阴极及其静电纺丝制备方法

摘要

一种核‑壳纳米纤维结构中低温固态氧化物燃料电池阴极及其静电纺丝制备方法，属于功能材料领域。所述核‑壳纳米纤维结构阴极由纳米纤维核与纳米外壳层构成，纤维核与外壳层分别由钙钛矿结构离子‑电子混合导体组分A与氧离子导体电解质组分B构成，或者组分相反；上述核‑壳纳米纤维阴极由静电纺丝制备，分别配制组分A和组分B纺丝前驱体溶液，将两种溶液分别注入内层或外层纺丝通道内进行纺丝，将复合纤维干燥、高温烧结，获得核‑壳纳米纤维结构阴极材料。此核‑壳纳米纤维结构增强中低温SOFC阴极氧还原催化活性、抗CO2表面吸附毒化能力及结构与性能稳定性，且工艺简单，成本低。

主权项

一种核‑壳纳米纤维结构中低温固态氧化物燃料电池阴极的静电纺丝制备方法，所述的核‑壳纳米纤维结构阴极由纳米纤维核与纳米外壳层构成，所述纳米纤维核与纳米外壳层分别由钙钛矿结构离子‑电子混合导体氧化物组分A与氧离子导体电解质组分B构成，或者相反，由钙钛矿结构离子‑电子混合导体氧化物组分A构成纳米外壳层，氧离子导体电解质组分B构成纳米纤维核；所述纳米纤维结构中，纳米纤维核直径为50‑500纳米，纳米外壳层厚度为100‑800纳米；其特征在于，所述制备方法：首先分别配制钙钛矿结构离子‑电子混合导体氧化物组分A纺丝前驱体溶液和氧离子导体电解质组分B纺丝前驱体溶液，然后将两种纺丝前驱体溶液分别注入内层与外层纺丝通道内，或者将钙钛矿结构离子‑电子混合导体氧化物组分A纺丝前驱体溶液和氧离子导体电解质组分B纺丝前驱体溶液注入相反纺丝通道，进行同轴纺丝，制备同心复合纤维，纤维经干燥、高温烧结，获得由钙钛矿结构离子‑电子混合导体氧化物组分A和氧离子导体电解质组分B构成的两种不同核‑壳纳米纤维结构阴极材料；本发明所述的核‑壳纳米纤维结构阴极的具体制备步骤如下：步骤一、 分别配制钙钛矿结构离子‑电子混合导体氧化物组分A纺丝前驱体溶液和氧离子导体电解质组分B纺丝前驱体溶液；钙钛矿结构离子‑电子混合导体氧化物组分A纺丝前驱体溶液配制过程：按照钙钛矿结构氧化物的化学计量比，称取所需的含相应金属离子的醋酸盐或硝酸盐试剂，磁力搅拌下溶于去离子水‑酒精‑N,N‑二甲基甲酰胺混合溶剂中，然后在磁力搅拌下将聚乙烯吡咯烷酮溶于以上混合溶液；或者，首先在磁力搅拌下将聚乙烯吡咯烷酮溶于去离子水‑酒精‑N,N‑二甲基甲酰胺混合溶剂中，然后再将所需的含相应金属离子的醋酸盐或硝酸盐试剂加入、磁力搅拌至完全溶解；混合溶液中去离子水、酒精与N,N‑二甲基甲酰胺溶剂的体积比为0.1‑0.5: 0.5‑1 : 5‑10，聚乙烯吡咯烷酮的用量为以上混合溶液中醋酸盐与硝酸盐试剂总质量的1.5‑3倍；将混合均匀的钙钛矿结构氧化物纺丝前驱体溶液超声去气泡，在室温下放置5‑15小时；氧离子导体电解质组分B纺丝前驱体溶液配制过程：按照电解质氧化物的化学计量比，称取所需的含相应金属离子的醋酸盐或硝酸盐试剂，磁力搅拌下溶于去离子水‑酒精‑N,N‑二甲基甲酰胺混合溶剂中，然后将聚乙烯吡咯烷酮溶于以上混合溶液；或者，首先将聚乙烯吡咯烷酮溶于去离子水‑酒精‑N,N‑二甲基甲酰胺混合溶剂中，然后再将所需的含相应金属离子的醋酸盐或硝酸盐试剂加入、磁力搅拌至完全溶解；混合溶液中去离子水、酒精与N,N‑二甲基甲酰胺溶剂的体积比为0.1‑0.5: 0.5‑1 : 5‑10，聚乙烯吡咯烷酮的用量为以上混合溶液中醋酸盐与硝酸盐试剂总质量的1.5‑3倍；得到氧离子导体电解质纺丝前驱体溶液，将溶液2超声去气泡，在室温下放置5‑15小时；步骤二 、核‑壳纳米纤维的静电纺丝制备分别将以上配制好的钙钛矿结构离子‑电子混合导体氧化物组分A纺丝前驱体溶液和氧离子导体电解质组分B纺丝前驱体溶液注入静电纺丝头的内层与外层通道内，进行共轴喷射，纺丝条件：纺丝液的流速5‑30 μl/min，纺丝电压10‑25kV, 纺丝针头与接受器的间距5‑15cm；纳米纤维的核‑壳构造由钙钛矿结构离子‑电子混合导体氧化物组分A纺丝前驱体溶液和氧离子导体电解质组分B纺丝前驱体溶液在内层与外层通道的注入位置决定，通过改变纺丝电压与两种纺丝液的流速对纳米纤维中纤维核的直径与外壳层的厚度进行调控，得到不同构造的核‑壳同心复合纤维，然后将纤维在40‑80℃干燥箱内干燥处理10‑20小时；步骤三、 核‑壳纳米纤维阴极烧结成相将以上干燥后同心复合纤维进行高温烧结，烧结条件是：以3‑6℃/分钟升温速率加热至400‑600℃，保温2‑5小时，然后以5‑10℃/分钟速率加热至1000‑1150℃并保温1‑5小时，最后以5‑12℃/分钟速率降温至室温，在此高温烧结过程中，钙钛矿结构氧化物组分与氧离子导体电解质组分各自成相，形成 核‑壳纳米纤维阴极材料。