[发明专利]聚合无机-有机前体溶液和烧结膜

说明书

技术领域

本发明涉及通过金属离子的聚合制备的聚合无机-有机前体溶液。具体地，本发明涉及可用作陶瓷氧化物粉末悬浮液中的分散剂和烧结助剂的聚合无机-有机前体溶液，并进一步涉及用该无机-有机前体溶液制成的烧结膜。

背景技术

烧结是指为了通过将粉末颗粒粘接在一起来提高其强度，在低于主要成分熔点的温度下热处理粉末或密实材料。烧结造成孔隙率降低、粉末或密实材料中材料的重排以及密实材料的收缩。

烧结助剂用于降低烧结温度，或提高烧结速率，由此在给定温度下提高烧结密度。可以使用少量不同于被烧结的陶瓷氧化物的金属氧化物或该陶瓷氧化物的纳米级粒子作为陶瓷氧化物中的烧结助剂。

通过这两种组分的机械混合将烧结助剂添加到陶瓷氧化物中。

Qui，J-Y等人，Enhancement of Densification and ThermalConductivity in AlN Ceramics by Addition of Nano-Sized Particles(通过添加纳米级粒子增强AlN陶瓷的致密化和导热性)，J.Am.Ceram.Soc.，89[1]377-380(2006)已经研究了添加烧结助剂时陶瓷氧化物的性质。在此观察到，少量市售纳米级AlN粉末作为掺杂剂的添加及在市售AlN原粉中使用烧结添加剂Y₂O₃和CaO表明纳米级AlN粉末的存在改进了样品的导热性。在更低温度下改进致密化，并增强烧结。

美国专利No.5494700公开了由包含金属阳离子和可聚合的有机溶剂的水溶液在基底上涂布金属氧化物薄膜的方法。使用聚合前体在该基底上涂布多晶金属氧化物薄膜，所得氧化物薄膜是致密的，可用作SOFCs中的电解质或电极，或用作气体分离膜。

专利申请WO 03/099741公开了制造具有均匀微结构的致密纳米晶复合材料，如陶瓷体、涂层和多层器件的方法。使用溶胶-凝胶溶液。

烧结材料和烧结助剂的重要用途是在固体氧化物电池，特别是固体氧化物燃料电池(SOFC)和可逆固体氧化物燃料电池或固体氧化物电解池(SOEC)的部件中。烧结材料也可用作气体分离膜，或用作电化学烟道气净化电池。

固体氧化物燃料电池是一种电化学能量转换器件。其在固体电解质存在下由外部供给的燃料(在阳极侧)和氧气(在阴极侧)制造电能。空气中存在的氧在阴极侧上被还原成氧离子，其穿过氧离子传导电解质到达阳极，在此将通常为氢气的燃料氧化，以释放电子(电能)热和水。氢也可以通过烃类，如燃料电池中的甲烷的内部重整产生。电解质必须不能被气体和电子透过，并且应当只允许氧离子穿过。

固体氧化物燃料电池是在650-1000℃下运行的高温燃料电池。它们与其它类型的燃料电池相比特别有用，因为SOFCs可以用多种燃料，例如H₂、甲烷(和更高级烃)、CO和氨运行。

与由例如内燃机中化石燃料燃烧的来源发电相比，SOFCs在发电中的应用提供潜在的环境益处。

与SOFCs性能有关的因素是电解质的密度和氧化物离子传导性。需要超过理论密度的96％的密度以确保气密性。电解质最好尽可能致密并具有高电导率。已知的是，通过在用于制备电解质的组合物中使用烧结助剂来实现电解质的改进的致密化。

可逆固体氧化物燃料电池是固体氧化物电解池，其中电能与水和可能的二氧化碳被转化成氢和可能的一氧化碳。所发生的反应与固体氧化物燃料电池相反，且该电池起到电解槽的作用。

氧分离膜由在任一侧上具有电极的致密的、混合氧离子和电子导电膜构成。此类膜的典型应用是由甲烷的部分氧化来制造合成气。为了提高燃烧法与高温氧化法的效率，该膜应当是气密的以防止不必要的渗漏。为了具有机械强度，这些膜通常在载体上制备。

在富氧侧上的电极应该是用于将氧分解成氧化物离子的良好催化剂，并具有高的氧化物离子与电子传导性。在贫氧侧上的电极应具有良好的氧化物离子与电子传导性，并应含有氧化催化剂。

富氧侧上所用的典型材料是掺杂二氧化铈、掺杂氧化锆、掺杂辉钴矿/铁氧体或其混合物。

贫氧侧上所用的典型材料是镍、掺杂二氧化铈和掺杂氧化锆。通常，这一侧充当机械载体。