[发明专利]一种含表面缺锶的镧锶金属氧化物的催化剂、制备及应用

说明书

本发明公开了一种含表面缺锶的镧锶金属氧化物的催化剂、制备及应用。所述催化剂是由质量配比为0.001～0.05:1的酸性氧化物和镧锶金属氧化物共混煅烧后获得的一种表面缺锶的镧锶金属氧化物，具有深度不小于10nm的表面贫锶层。所述制备方法基于酸‑碱性氧化物界面中和机制，利用酸性氧化物与镧锶金属氧化物中的碱性氧化锶亚晶格进行反应，在表面制造出锶单原子空位，获得表面缺锶的镧锶金属氧化物阴极催化剂。所述催化剂既具有高晶格氧氧化还原活性，又避免服役过程中氧化锶在表面偏析造成的寿命衰减，作为固体氧化物燃料电池阴极展现出了高性能、高耐久、可规模化制备等特点。所述制备方法适用于能源化工、电子电气等其他应用领域中氧化物的制备与调控。

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池材料制备技术领域，具体涉及一种高效耐久镧锶金属氧化物燃料电池阴极催化剂及其制备方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一项新兴的能源转换技术。与传统的火力发电需要经历化学能-热能-机械能-电能的多次能量转换不同，SOFC可以直接将燃料的化学能转换成电能。由于不需要经过卡诺循环，SOFC的能量转换效率远高于内燃机(30～40％)，可达60～70％。与储能电池相比，SOFC作为发电装置，只要连续的提供燃料及氧化剂，可以不间断连续工作，具有更高的使用效率。与其他类型的燃料电池相比，SOFC也表现出显著优势，如燃料适应性强、功率密度高、无须使用贵金属作为催化剂、利用高质量废热实现热电联供可进一步提高能量转换效率等。

阴极是SOFC的氧化气发生电化学还原的场所，涉及了表面氧交换与氧离子输运两个过程。具体地，氧气首先通过气相扩散传输至阴极表面被吸附并解离，得到电子生成两个氧负离子(O^-或O^2-)，接着氧负离子通过阴极体相(或表面)扩散并穿越阴极/电解质界面进入电解质。相比阳极过程(燃料氧化反应)，阴极过程在动力学上缓慢得多，直接决定了SOFC性能的好坏。根据上述特征，SOFC阴极催化剂应满足以下要求：氧化气氛下高的化学稳定性、高的晶格氧氧化还原活性、快的离子/电子电导、高的力学相容性、适中的孔隙率等。目前，常见的SOFC阴极材料主要包括镧锶锰氧化物、镧锶钴氧化物、镧锶钴铁氧化物等。然而，常规的阳离子掺杂无法连续提高晶格氧氧化还原活性，因为其他晶体结构因素(例如金属-氧键角)的影响不可忽略，并且很难在催化剂的体相和表面形成成分梯度。此外，自下而上法制备的氧化物催化剂常受到缺陷容限的限制，过多引入的外源缺陷会导致结构破坏，如表面阳离子偏析，从而导致活性损失。

因此，开发一种可原子级精确调控表面化学计量比同时保有材料体相性质的SOFC阴极催化剂对于SOFC的技术发展非常重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效耐久固体氧化物燃料电池阴极催化剂及其制备方法。

本发明公开了一种含表面缺锶的镧锶金属氧化物的催化剂，所述的镧锶金属氧化物化学式为(La_xSr_1-x)_0.95～1MO₃，其中x＝0.6～0.8，M选自锰、钴或铁的至少一种或两种，具有深度不小于10nm的表面缺锶层，该缺锶层中锶含量比内部区域锶含量低至少0.3wt％，优选0.5wt％。

所述的镧锶金属氧化物优选为镧锶钴铁氧化物(La_0.6Sr_0.4)_0.95～1Co_0.2Fe_0.8O₃，镧锶锰氧化物(La_0.75Sr_0.25)_0.95～1MnO₃，或镧锶钴氧化物(La_0.6Sr_0.4)_0.95～1CoO₃。

该催化剂可由质量配比为0.001～0.05:1的酸性氧化物和镧锶金属氧化物共混煅烧后获得。