[发明专利]单电池、其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及单电池、其制备方法及应用。

背景技术

1902年，德国人Haber开始了合成氨的研究；在随后的100年里，合成氨工业获得了巨大的发展，各种工业合成氨的工艺均以高温、高压、催化剂即Haber合成法为基本原理。Haber合成法中，高温是为了克服氮分子的动力学惰性，高压促进平衡向生成氨的方向转化，铁触媒催化剂则在高温时，降低反应的活化能。然而Haber合成法的局限性受热力学限制，对设备压力一般在15～30Mpa，转化率较低，约为13%。在工业生产中，合成氨的反应压力通常在15～30Mpa，甚至更高，这对设备提出了很高要求。但即便如此，由于压力提高是有限的，氨的转化率已经很难提高，且该方法的弱点在于工艺流程过于复杂，安全系数低，能耗巨大，研究者希望能找到低压甚至常压合成氨的方法，而固态质子导体的电化学合成氨是一种最有前景的方式。

固态质子导体是以质子作为电荷载流子的一类固态导体材料。由于它们广泛用于固体氧化物燃料电池、气体传感器、氢泵、电解槽等装置，并且应用前景广阔，近年来引起了人们的广泛关注。

1981年，Iwahara发现SrCeO₃的B位上掺入少量三价离子后，高温下表现出可观的质子传导性，1996年Panagos和StouKides提出用HTPC（high temperature proton conductor）合成氨气，并提出了相关的理论模型。1998年StouKides和Marnellos用钙钛矿型的SrCe_0.95Yb_0.05O_3-δ作为电解质，Pd为阴阳极，在570℃、常压下成功合成出氨气，并计算出氢气的转化率为78%，在该过程中，向阳极通入加湿氢气，阴极通入氮气，氢气在阳极解离成质子，在外加电场的作用下，通过质子导体电解质，质子到达具有催化和吸附功能的阴极，与氮气反应生成氨气。电化学制氨的全过程不需加压，无对环境有害物质生成，反应转化率大大提高，因此是一种低能耗、环保、高效的合成方法。近年来，科技工作者尝试将多种质子导体材料应用在电化学制氨方面，国内科研机构也有多年的研究积累，如新疆大学的刘瑞泉教授和苏州大学的马桂林教授。

马桂林等制备出BaCe_0.85Y_0.15O_3-δ电解质材料，并在500℃下得到氨的合成速率为2.1×10^-9mol.s^-1·cm^-2，600℃测得其最大电导率为1.04×10^-2S.cm^-1；刘瑞泉等人研究的双掺杂BCGS质子导体电解质，用于制氨，合成速率高达5.82×10^-9mol.s^-1·cm^-2，他们均使用Ag-Pd作为阴极、阳极及集流层材料。但也有部分文献报道了金属或金属氧化物作为阴、阳极材料进行电解氨的结构与性能测试，Stoukides等研究了以金属Fe作为电极材料在电化学合成氨中的催化作用，其制氨性能达到6.2×10^-9mol.s^-1·cm^-2。由此，本申请提供了采用不同电解质材料的单电池来进行电化学制氨。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种单电池，本申请提供的单电池能够实现在常压下高效合成氨。

有鉴于此，本申请提供了一种单电池，包括依次叠加设置的阳极支撑体、活性阳极、电解质与活性阴极；所述电解质的材料为第一掺杂钙钛矿型化合物，所述阳极支撑体与所述活性阳极的材料均为镍与第一掺杂钙钛矿型化合物的复合材料，所述活性阴极的材料为第二掺杂钙钛矿型化合物或第二掺杂钙钛矿型化合物与第一掺杂钙钛矿型化合物的复合材料。

优选的，所述第二掺杂钙钛矿型化合物为具有下述化学式的物质中的一种：