专利名称：一种钇掺杂的锶钴基中温固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种电池阴极材料的制备方法，具体的说是一种钇掺杂的锶钴基中温固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法。
背景技术：
随着人们生活水平的提高，世界经济的快速发展，能源和环境问题也日益突出。固体氧化物燃料电池(英文简称S0FC)作为一种高效，便捷和对环境友好的绿色能源装置，有着其独特的优势，也越来越受到各国的普遍重视。而SOFC的中温化(500-800°C)可以大大降低其制造成本，提高其操作寿命，这样既保持传统SOFC的突出优点，又可避免因工作温度过高而带来的一系列问题，然而随着运行温度的降低，SOFC的工作性能出现显著地劣化， 这主要是因为工作温度的降低使电解质的欧姆极化损失以及电极的活化极化损失增加，从而严重地影响了电池的性能。阴极材料作为SOFC的重要组件，其欧姆损失在整个SOFC的欧姆损失中约占65%。若降低SOFC的运行温度，将引起阴极的极化过电位增加、界面电阻增大。因此，寻找和研制在较低的温度下仍具有良好性能的新型阴极材料是发展中温固体氧化物燃料电池的关键。锶钴基材料具有多相结构，例如六方，正交，钙铁石和简单立方，不同相的产生依赖于周围环境氧分压，温度及制备方法。在这些相中，立方相展示更高的离子迁移率和电导率，但是，若要保证更高的离子迁移率和电导率必须有化学和结构稳定性，以便在很宽的温度范围和氧分压下，热力学稳定。本发明采用溶胶-凝胶法制作了 Sra95Yaci5CoCVs, 以高价Y3+取代Sr2+，为保持电中性，氧空位将减少，同时Co4+向低价转化，但在实验测试中 Sr0.95Y0.05CoO3^依然保持很高的电导率，足够满足中温固体氧化物燃料电池阴极材料的要求，同时又维持了稳定的立方相。可见，Sra95Yatl5CoCVs材料有望成为新型的中温固体氧化物燃料电池阴极材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有稳定的立方相，能维持材料良好的导电率，可以保证氧的离解和吸附能力的钇掺杂的锶钴基中温固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法。本发明的目的是这样实现的，制备该阴极材料所采用的原料及其重量配比是
Sr (No3),
Y2O3
Co (NO3) 2 柠檬酸乙二胺四乙酸
4.02097 份、 0. 11291 份、 6Η20 5.821 份、 16.8112 份、 11.6896 份，
本发明制备方法的具体步骤是
①、首先将Y2O3粉末用马弗炉在900°C烘干2h后，按比例称量Sr(NO3)2^ Co(NO3),6H20、IO3、柠檬酸和乙二胺四乙酸原料，各种物质的摩尔比为柠檬酸乙二胺四乙酸金属阳离子(Sr2+、Y3+、Co2+)的总和=2:1:1。②、将①中^O3粉末用适量浓硝酸溶解形成Y(NO3)3，在恒温90°C下搅拌大约半小时，目的是使过量的硝酸挥发，将Sr(NO3)2和Co(NO3)2 · 6H20用蒸馏水充分溶解后与 Y (NO3) 3混合在一起放在搅拌器上搅拌一小时，形成混合硝酸盐溶液，然后将用氨水溶解的乙二胺四乙酸和用蒸馏水溶解的柠檬酸依次倒入混合硝酸盐溶液中，之后搅拌直到溶液变成褐色凝胶体(在搅拌过程中用氨水调节溶液PH值7-9)，然后将褐色凝胶体放入烘箱中， 在180°C下恒温干燥大约池，使之成为蓬松的褐色粉末状固体。③、然后将②中褐色粉末状固体取出，研磨池后，分别在箱式高温炉中1000°C恒温煅烧他和1050°C恒温煅烧他，煅烧之后取出粉末状固体，进行XRD物相测试，测试结果显示样品呈立方钙钛矿结构。上述制备Sra95Yaci5CoCVs钙钛矿氧化物的方法我们称其为溶胶_凝胶法。所述的XRD测试仪器日本Rigaku-D-Max y A 12kff转靶X射线衍射仪。测试条件扫描范围为20° 80°，角度步长0.02，滞留时间0.2 s;所用的靶为Cu靶，X射线为 Cu Ka线，波长为0.15418 nm。所述的电导率测试仪器上海乾峰SB118型精密直流电压电流源，PZ158型直流数字电压表，XMT数显控温仪。测试条件空气气氛，温度范围是 25-850°C。所述的电化学阻抗测试仪器上海辰华的CHI604C电化学工作站。测试条件 空气气氛，频率范围是0. Ol-IO5 Hz，初始电压为0伏，振幅为0. 01伏。本发明的优点和积极效果包括
①、采用溶胶-凝胶法制备出Sra 95Y0.05Co03_ s，此方法的较低烧结温度保证了较小的晶粒尺寸，粒径均勻。②、测量了 Sra95Yatl5CoCVs样品的电导率，当测量温度为600°C时，电导率为435S/ cm，这样的电导率远远超过了中温固体氧化物燃料电池(500-800°C)对阴极材料的要求 (彡 100S/cm)。③、对比了 700 °g、750°C、800°C三个温度点的阻抗，当测量温度为800°C时是最小的，为0.046 Qcm2,作为阴极材料来讲，这样的阻抗远远超过了 IT-SOFC对阴极材料的要求(彡 0. 15 Ω cm2)。④、本发明Sra95Yaci5CoCVs可做为中温固体氧化物燃料电池阴极材料，此类材料具有稳定的立方相，保证了良好的导电率，同时具有很小的界面阻抗，而很小的界面阻抗保证了氧离子在电极内部及三相界面的良好传输。
图1是本发明采用溶胶-凝胶法制备Sra95Yaci5CoCVs的工艺流程图。图2是通过本发明方法制得的Sra95Yatl5CoCVs在1050° C烧结6小时的XRD 图。图3是通过本发明方法制得的Sra95Yaci5CoCVs在空气中测试的电导率图。图4是在不同温度下通过本发明方法制得的Sra95Yaci5CoCVs阻抗图。
具体实施方式
首先将IO3粉末用马弗炉在900°C烘干2h，按比例称量Sr (NO3) 2，(4. 02097g)、 Y2O3 (0. 11291g)、Co (NO3)2 ·6Η20 (5. 821 g)、柠檬酸(16. 8112 g)和乙二胺四乙酸(11. 6896 g)原料，各种物质的摩尔比为柠檬酸乙二胺四乙酸金属阳离子(Sr2+、Y3+、Co2+)的总和= 2 1 :1。将IO3粉末用适量浓硝酸溶解形成Y (NO3)3，在恒温90°C下搅拌大约半小时，目的是使过量的硝酸挥发，将Sr (NO3) 2和Co (NO3) 2 · 6H20用蒸馏水充分溶解后和Y (NO3) 3混合在一起放在搅拌器上搅拌一小时，形成混合硝酸盐溶液，然后将用氨水溶解的乙二胺四乙酸和用蒸馏水溶解的柠檬酸依次倒入混合硝酸盐溶液中，之后搅拌直到溶液变成褐色凝胶体(在搅拌过程中用氨水调节溶液PH值7-9)，然后将褐色凝胶体放入烘箱中，在180°C下恒温干燥大约池，使之成为蓬松的褐色粉末状固体。然后将褐色粉末状固体取出，研磨池后， 分别在箱式高温炉中1000°C恒温煅烧他和1050°C恒温煅烧他，煅烧之后取出粉末状固体， 进行XRD物相测试，测试结果显示样品呈立方钙钛矿结构。
通过对上述Sra95Yaci5CoCVs钙钛矿氧化物成像温度、导电性及电化学性能的研究，得到以下结论
由图1所示采用溶胶-凝胶法制备的Sra95Yaci5CoCVs的流程。由图2所示Sra95Yatl5CoCVs样品在1050° C烧结6小时的XRD图。从图中可以看出，其已经呈纯立方钙钛矿相。由图3所示Sra95Yatl5CoCVs样品从25°C到850° C的电导率图，发现随着温度的增大，电导率先增大后减小，在175° C时达到最大，即发生了由金属导电机制到半导体导电机制的转变。由图4所示在不同温度下Sra95Yatl5CoCVs的阻抗，我们取了 700 °e、750°C、800°C 三个温度点为例。从图中我们可以看出800°C时的阻抗值是最小的，作为阴极材料来讲，这样的阻抗值远远超过了中温固体氧化物燃料电池对阴极材料的要求0. 15Qcm2)，所以 Sr0.95Y0.05CoO3^可以做为一种新型的中温固体氧化物燃料电池阴极材料。
权利要求
1.一种钇掺杂的锶钴基中温固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于 制备该阴极材料所采用的原料及其重量配比是Sr (No3) 24. 02097 份、Y2O30. 11291 份、Co (NO3) 2 · 6H20 5.821 份、柠檬酸16.8112 份、乙二胺四乙酸11.6896 份，该制备方法的具体步骤是①、首先按比例称量Sr(NO3)2^2O3、Co (NO3)2 · 6H20、柠檬酸和乙二胺四乙酸，各种物质的摩尔比为柠檬酸乙二胺四乙酸金属阳离子(Sr2+、Y3+、Co2+)的总和=2 1 1;②、将①中IO3粉末用适量浓硝酸溶解形成Y(NO3)3，在恒温90°C下搅拌大约半小时，目的是使过量的硝酸挥发，将Sr (NO3) 2和Co (NO3) 2 · 6H20用蒸馏水充分溶解后和Y (NO3) 3混合在一起放在搅拌器上搅拌一小时，形成混合硝酸盐溶液，然后将用氨水溶解的乙二胺四乙酸和用蒸馏水溶解的柠檬酸依次倒入混合硝酸盐溶液中，之后搅拌直到溶液变成褐色凝胶体(在搅拌过程中用氨水调节溶液PH 7-9)，然后将褐色凝胶体放入烘箱中，在180°C下恒温干燥大约池，使之成为蓬松的褐色粉末状固体；③、然后将②中褐色粉末状固体取出，研磨池后，分别在箱式高温炉中1000°C恒温煅烧他和1050°C恒温煅烧6h，煅烧之后取出粉末状固体，进行XRD物相测试，测试结果显示样品呈立方钙钛矿结构。
2.根据权利要求1所述的一种钇掺杂的锶钴基中温固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于所述的XRD物相测试条件是扫描范围为20° 80°，角度步长0. 02，滞留时间0.2 s ；所用的靶为Cu靶，X射线为Cu Ka线，波长为0.15418 nm ；所述的电导率测试条件是空气气氛，温度范围为25-850°C ；所述的电化学阻抗测试条件空气气氛，频率范围是0.01 — IO5 Hz，初始电压为0伏， 振幅为0.01伏。
3.根据权利要求1所述的一种钇掺杂的锶钴基中温固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，其特征在于其中的原料标准为=Sr(No3)2 J203、Co(N03)2 ·6Η20、柠檬酸和乙二胺四乙酸的纯度为99%以上；浓硝酸的浓度是68% ；氨水的浓度30%。
全文摘要
本发明涉及一种钇掺杂的锶钴基中温固体氧化物燃料电池阴极材料的制备方法，所采用的原料是Sr(No3)2、Y2O3、Co(NO3)2·6H2O、柠檬酸、乙二胺四乙酸，制备方法是首先按比例称量Sr(NO3)2、Y2O3、Co(NO3)2·6H2O、柠檬酸和乙二胺四乙酸，将Y2O3粉末用适量浓硝酸溶解形成Y(NO3)3，在恒温90oC下搅拌，将Sr(NO3)2和Co(NO3)2·6H2O用蒸馏水充分溶解后和Y(NO3)3混合在一起放在搅拌器上搅拌，形成混合硝酸盐溶液，然后将用氨水溶解的乙二胺四乙酸和用蒸馏水溶解的柠檬酸依次倒入混合硝酸盐溶液中，之后搅拌直到溶液变成褐色凝胶体，然后将褐色凝胶体放入烘箱中干燥，使之成为蓬松的褐色粉末状固体；然后将上述褐色粉末状固体取出研磨，分别在箱式高温炉中恒温煅烧，取出粉末状固体进行XRD物相测试，测试结果显示样品呈立方钙钛矿结构。
文档编号H01M4/88GK102569827SQ20101060450
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者刘晓艳, 孟祥伟, 张永军, 杨景海, 王雅新 申请人:吉林师范大学