[发明专利]一种对称固体氧化物燃料电池核壳结构电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种对称固体氧化物燃料电池核壳结构电极材料及其制备方法和应用。所述电催化剂的内核为钙钛矿型氧化物，其化学式为PrBaMnFeOsubgt;6/subgt;，外层为异原子M掺杂氧化铈薄膜Msubgt;x/subgt;Cesubgt;(1‑x)/subgt;Osubgt;2‑δ/subgt;，M为La、Sm、Fe、Pr和Gd中的一种或多种，0≤x≤0.2,0≤δ≤0.1。本发明的对称固体氧化物燃料电池电极材料的制备方法，利用原子层沉积技术在纳米粉体外沉积一层高离子电导率的复合氧化物薄膜，并对沉积包覆层的成分、组成和厚度实行精准调控，经ALD修饰后形成核壳结构的离子导体Msubgt;x/subgt;Cesubgt;(1‑x)/subgt;Osubgt;2‑δ/subgt;修饰钙钛矿型氧化物PBMF包覆均匀，可控性好，重复性高。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，尤其涉及一种对称固体氧化物燃料电池核壳结构电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着能源的不断枯竭和生态环境污染问题的凸显，寻找一种高效清洁的能源生产技术迫在眉睫。固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cells,SOFC)是一种电化学转换装置，因其不受卡诺循环的高能量转换效率、环境友好性和燃料的多样性等优点引起了广泛的关注。SOFC的阴极和阳极由于工作环境和任务的不同，一般使用不同的材料。2001年，研究学者提出了阳极和阴极使用同一材料的对称固体氧化物燃料电池(symmetricalSOFC，SSOFC)的概念。SSOFC的阳极和阴极由于采用同种材料，相较于传统的SOFC减少了一个电极和电解质的界面，可以提高电极和电解质的匹配性，增加电池寿命；当以碳氢化合物为燃料时，阳极中氧化性气氛的通入可以消除电极积碳和硫中毒现象。同时可以有效减少热处理工艺次数，降低制备成本，为其商业化运行做铺垫。对称电极材料需要同时满足对氧还原反应和燃料气催化氧化的高活性，足够的电子和离子电导率，同时要满足强还原和氧化性气氛下的化学和机械稳定性的苛刻条件。因此，寻找和构建高活性和稳定性的对称电极材料对SSOFC实用化发展尤为关键。

PrBaMn₂O₆基钙钛矿材料在氧化性和还原性气氛下均具有较好的结构稳定性和一定的催化活性，是目前研究比较多的一种对称电极材料。发明人曾以铁掺杂的PrBaMn_1.5Fe_0.5O_6-δ作为SOFC对称电极[Journal of Power Sources,2017,342:313-319]，在氢气为燃料时800℃下La_0.8Sr_0.2Ga_0.83Mg_0.17O₃(LSGM)电解质支撑的对称单电池功率密度可达535mW cm^-2。但此材料的主要问题在于离子电导率较低，催化活性有待进一步提升。根据电极反应机理，复合电极的构建可以同时提高复合物材料的离子/电子电导率与氧交换动力学，异质界面处的电子结构、缺陷、晶格应力等的变化也可提高材料对燃料氧化与氧还原催化活性。已有的研究工作表明，将离子电导率较高的掺杂铈基氧化物与钙钛矿型氧化物复合，可以有效提高材料的离子电导和催化活性，提高电池功率密度。