[发明专利]一种新型氢气极材料及其应用

说明书

本发明提供一种新型氢气极材料及其应用，涉及高温固体氧化物燃料电池及电解池领域。所述氢气极材料的分子式为Sr₂Fe_2‑x‑yMe_xMo_yO_6‑δ(SFMMe)，在用于固体氧化物燃料电池及电解池时，可被氢气极侧工作时的还原性气体还原，生成金属Fe‑Me合金纳米粒子修饰的SFMMe纳米复合氢气极材料Fe‑Me@SFMMe。该材料用作氢气极结合了镍基氢气极的电化学性能和氧化物基氢气极的长期稳定性，展示出优异的长期稳定性和电化学性能，是一种理想的氢气极材料。

技术领域

本发明涉及高温固体氧化物燃料电池及电解池领域，具体来说，涉及一种新型高温固体氧化物电池的氢气极材料及其制备方法。

背景技术

目前人类活动所消耗的能源主要来自传统的化石能源——煤、石油和天然气等。面对巨大的能源需求和能源枯竭的矛盾，人们必须寻找可代替传统能源的更清洁的能源。氢能具有热值高、无污染、不产生温室气体、清洁、高效等优点，被公认为最有希望代替传统一次能源作为下一代的能源载体。目前，氢气的主要生产方式是天然气重整和电解水制氢。天然气重整制氢仍然要消耗一次能源(天然气)，无法避免温室气体的产生，而电解水制氢过程是氢气与氧气燃烧生成水的逆过程，可利用其他形式能源产生的电能制取纯净氢气和氧气。在所有电解水制氢的形式中，固体氧化物电解池电解效率最高，有望实现环境友好且大规模低成本制氢的目标。

传统的纳米金属粒子修饰的纳米复合材料主要通过沉积的方法制备，如物理气相沉积法和化学溶液浸渍法，但是这些方法制备的材料难以控制纳米材料的颗粒尺寸、表面分布；同时支撑体骨架与纳米粒子的结合力较弱，制作过程繁复耗时，制作成本昂贵；再者，这种方法制备的纳米材料还容易引发催化活性衰减和碳沉积问题。因此，沉积方法制备的这类纳米复合材料在工作条件下易失活。新型原位还原技术制备的纳米催化剂材料不仅颗粒精细、分布均匀，还能有效避免繁琐的沉积过程，节约制备时间和成本；同时，将催化活性颗粒锚固在支撑体表面还可以延缓老化速度和抑制碳沉积现象；更为客观的是，由于原位还原技术制备的材料具有可逆性，即从支撑体骨架析出的纳米颗粒可以再次被氧化固溶到支撑体骨架中，从而可以避免因催化剂的颗粒长大而造成的电池的整体性能衰减，并有效地提高催化剂的使用寿命。

传统的金属-陶瓷复合电极催化活性高，但在高温高湿条件催化剂颗粒(如金属Ni粒子)容易发生膨胀、被氧化等问题而使电池性能衰减。新型钙钛矿型基复合电极(如Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-δ(SFM))具有极高的电化学性能和热稳定性，非常适合用作氢气极材料。然而与传统金属-陶瓷复合电极相比，金属氧化物基复合电极的电催化性能较低，为了进一步提高电极的电催化性能和电池的电化学性能，将金属元素(如Ni)掺杂进入金属氧化物材料(如SFM)的晶格中形成Sr₂Fe_1.5-xMe_xMo_0.5O_6-δ(简写为SFMMe，其中Me为Ni、Co、Cu、Pt、Ru等过渡金属元素)，在工作条件下使材料晶格中的部分Ni元素和Fe元素还原出来并附着于基底材料的表面，形成纳米金属催化剂修饰的SFM材料(Fe-Ni@SFM)。

此类材料构建的复合氢气极用于高温电解水制氢时电化学性能经试验检测优异，可以为发展高效高稳定性的SOEC/SOFC氢气极体系、推动高温电解水制氢技术的商业化应用提供实验和理论基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于解决目前存在的金属-陶瓷基复合电极电化学性能优异而稳定性不足、金属氧化物基复合电极稳定性优异而电化学性能不足的特点，探索并发展原位还原法低成本制备纳米金属催化剂修饰的金属氧化物纳米复合材料用作固体氧化物电池氢气极。

本发明的技术方案可以通过以下技术措施来实现：