[发明专利]一种石墨烯改性的固体氧化物燃料电池镍基复合阳极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体氧化物燃料电池（SOFC），具体地说是一种石墨烯改性的镍基固体氧化物燃料电池复合阳极材料及其制备方法。

背景技术

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是由碳原子按照六边形进行排布并相互连接而成的碳分子，其结构非常稳定。具有高导电性、高韧度、高强度、超大比表面积。石墨烯的厚度只有0.335纳米，不仅薄且非常坚硬；作为单质，石墨烯中电子的迁移速度达到了光速的1/300；理想的单层石墨烯比表面积可达到2630m²/g，而普通的活性炭比表面积为1500m²/g，超大的比表面积使得其成为潜力巨大的储能材料。石墨烯有望在在芯片、动力锂电池的导电添加剂、超级电容器、触摸屏、液晶显示器、有机发光二级管、有机光伏电池等诸多领域得到应用。将石墨烯添加到复合物基体中，能改善复合物基体的性能，如导电性、机械性能、化学性能、阻隔性能以及导热性能等，在复合材料领域的应用前景非常广阔。

SOFC是效率最高的发电系统、特别是作为分散的电站，引起了各国科学家的广泛兴趣。随着能源危机的加剧和对环保的日益关注，固体氧化物燃料电池的研究开发受到发达国家的普遍重视。高功率、低成本的阳极支撑薄膜电解质型SOFC体系因为具有很高的功率密度尤其受到国内外研究人员的关注。对于天然气等碳氢化合物燃料的应用对固体氧化物燃料电池技术实用化的发展具有重要的意义，因此适应于天然气等碳氢化合物燃料的各种阳极材料得到了广泛研究，主要包括：镍基阳极、铜基阳极、铈基阳极、钙钛矿型阳极以及贵金属阳极等。目前阳极主要采用的是Ni-YSZ（镍-氧化钇稳定的氧化锆）多孔金属陶瓷，实现阳极的气体传质、电子传导、离子传导、催化重整和电催化反应等功能，有良好的催化活性、高电导率、高机械强度、与YSZ膜的良好匹配性和价格低廉等优点。

由于Ni-YSZ阳极是在高温（一般大于1350℃）下烧结而成以确保膜的致密性，而且较高的Ni含量（约50wt.%）导致阳极中Ni的粒径在微米级别，致使在传统阳极中镍与电解质材料间的界面接触不好，镍催化剂在还原过程中易于烧结长大，从而导致阳极活性较低，积碳较为严重；并且在电池的长期运行过程中，Ni和NiO之间的循环转化会导致较大的体积变化，对电池结构产生严重破坏，导致电池性能降低。

发明内容

鉴于以上石墨烯的优点和SOFC镍基阳极存在的缺点，本发明提供了一种石墨烯改性的固体氧化物燃料电池镍基复合阳极材料及其制备方法，通过石墨烯的掺杂来阻止镍颗粒的烧结粗化，提高阳极的抗循环氧化还原性能和电池性能。

本发明所要解决的第一个技术问题就是提供一种电化学性能及机械性能都稳定的石墨烯改性的固体氧化物燃料电池镍基复合阳极材料，该材料制备的电极能提高阳极活性，减小阳极在运行过程中产生的体积变化，增加电极电导率及电池使用寿命；本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种石墨烯改性的固体氧化物燃料电池镍基复合阳极材料的制备方法。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种石墨烯改性的固体氧化物燃料电池镍基复合阳极材料，该材料由下述质量百分比的原料制备而成：

镍基材料     30-70%；

电解质材料   70-30%；

所述镍基材料为氧化石墨烯掺杂的NiO材料，氧化石墨烯与NiO的质量比为0.001-0.3:1；

所述电解质材料为氧化钇稳定的氧化锆YSZ、氧化钪稳定的氧化锆ScSZ、氧化铈掺杂的氧化锆CeSZ中的一种或二种以上混合，其中氧化钇、氧化钪或者氧化铈在掺杂的氧化锆中的摩尔百分含量为0.05-25%。

相应地，本发明给出了制备石墨烯改性的固体氧化物燃料电池镍基复合阳极材料的方法，包括下述步骤：

1）制备镍基复合阳极材料：

采取将镍的金属盐、氧化物或氢氧化物、YSZ与氧化石墨烯复合而成；

2）制备镍基复合阳极/电解质二合一电池组件：

在上述制得的复合阳极材料中加入有机胶粘剂充分混合研磨，采用干压法将镍基复合阳极材料制备成复合阳极基底，在所述复合阳极基底上将电解质材料经涂覆和烧结，得到复合阳极/电解质二合一电池组件。

优选地，所述制备镍基复合阳极材料通过下述方法制备：