[发明专利]一种钙钛矿复合阴极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种钙钛矿复合阴极及其制备方法和应用，属于中高温固体氧化物电解池领域。本发明所述制备方法包括如下步骤：①将萤石的前驱体溶液通过蒸发浓缩燃烧法得到萤石初粉，再焙烧成相；②将步骤①所得产品浸渍在钙钛矿的前驱体溶液中，通过蒸发浓缩燃烧法得到钙钛矿复合阴极初粉，再焙烧得到钙钛矿复合阴极材料；或者将钙钛矿的前驱体溶液与萤石的前驱体溶液混匀，通过蒸发浓缩燃烧法得到钙钛矿复合阴极初粉，再焙烧得到钙钛矿复合阴极材料。本发明通过浸渍和共合成的方法制备了钙钛矿和萤石复合阴极，比传统机械混合方法制备的钙钛矿复合阴极具有更优异的电解性能。

技术领域

本发明涉及一种钙钛矿复合阴极及其制备方法和应用，属于中高温固体氧化物电解池领域。

背景技术

目前，由于化石能源的大量消耗，向空气中排放大量的CO₂，这对全球气候和生态环境提出了严峻挑战。因此，CO₂的高效分离、储存和转化成为当前的研究热点。近几年，越来越多的研究者报道关于在固体氧化物燃料电解池(SOEC)中高温直接电解纯CO₂，这主要是由于该过程可以由太阳能、风能等可再生能源提供电力，以较高的法拉第效率(FE)将CO₂转化成CO。固体氧化物燃料电解池主要由阴极，阳极和电解质组成。反应主要发生在氧离子导体-电子导体-气体组成的三相界面(TPB)上，CO₂在阴极分解形成CO和O^2-，O^2-通过电解质到达阳极，在阳极侧被氧化生成O₂。

高温电解CO₂常用的阴极材料有：金属陶瓷(如Ni-YSZ等)和混合离子电子导体(MIEC)，如：钙钛矿(如LSCM、LSF、LSCMN等)和双钙钛矿氧化物(如SFM等)。Ni-YSZ金属陶瓷由于其具有优异的催化活性，较好的电子离子导电性，合适的热膨胀系数和较低的成本而成为目前使用最普遍的阴极材料。但是在实际电解过程中需要在阴极侧通入还原气体使Ni不被氧化。在氧化还原循环过程中，Ni易被氧化而导致结构坍塌和分层，从而导致电解性能下降。因此，钙钛矿材料由于具有良好的氧化还原稳定性，较好的催化性能，以及良好的抗积碳性能，抗硫性能，而被用作高温直接电解纯CO₂的阴极材料。

传统的钙钛矿阴极材料其氧离子导电性有限，因此需与萤石结构的氧离子导体复合，形成复合阴极。常见的复合方法为钙钛矿材料和萤石材料分别合成焙烧成相，然后通过研磨的方法进行机械混合。机械混合方法制备的复合阴极材料有可能存在混合不均匀或者钙钛矿和萤石接触不紧密，因此导致电解性能有限。

发明内容

本发明通过浸渍和共合成的方法制备了钙钛矿和萤石复合阴极，解决了如何提高传统机械混合方法制备的钙钛矿复合阴极高温直接电解纯CO₂的性能。

本发明提供了一种钙钛矿复合阴极材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：①将萤石的前驱体溶液通过蒸发浓缩燃烧法得到萤石初粉，再焙烧成相；②将步骤①所得产品浸渍在钙钛矿的前驱体溶液中，通过蒸发浓缩燃烧法得到钙钛矿复合阴极初粉，再焙烧得到钙钛矿复合阴极材料；或者将钙钛矿的前驱体溶液与萤石的前驱体溶液混匀，通过蒸发浓缩燃烧法得到钙钛矿复合阴极初粉，再焙烧得到钙钛矿复合阴极材料。

本发明优选为所述钙钛矿为La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O_3-、La_0.5Sr_0.5FeO_3-或La_0.75Sr_0.25Cr_0.45Mn_0.45Ni_0.1O_3-，所述钙钛矿使用的前驱体溶液为硝酸盐溶液。

本发明优选为所述萤石为钆掺杂的氧化铈或钐掺杂的氧化铈，所述萤石使用的前驱体溶液为硝酸盐溶液。