专利名称：一种中温固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种中温固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法，属于化学电源 固体氧化物燃料电池材料领域。
背景技术：
固体氧化物燃料电池(SOFC)以其高效、洁净和对多种燃料的广泛适应性而具有 广泛的市场应用前景。常规的固体氧化物燃料电池阴极材料的工作在800-100(TC，如此 高的温度，使电极材料和连接体材料的选择范围受到限制。因此，降低电池的工作温度 (650-800°C)成为SOFC发展的必然所趋。但是工作温度的降低，导致电解质的欧姆极化以 及电极的活化极化损失增加，严重影响了电池的性能。传统的高温固体氧化燃料电池阴极 材料LahSrxMnO3 (LSM)由于其在较低的温度下较低的电导率和催化活性不再使用于中低温 固体氧化物燃料电池。含钴的钙钛矿(ABO3)LSCF IAl6Sra4C0a2Fea8CVs(LSCF)阴极界面极 化电阻比LSM低10倍，可以作为潜在的中低温固体氧化物燃料电池阴极材料，但是其热膨 胀系数较高，同时化学稳定性不好，高温下与电解质发生化学反应。B^l6Sra4C0a8Fea2CVs 作为阴极的电池的电化学性能得到提高，但是中低温下电导率较低，在阴极材料性能不足 的条件下，制备出新的中温固体氧化物燃料电池阴极材料成为电池发展的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的中温固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极材料及 其制备方法。所制备的材料用作中温固体氧化物燃料电池阴极材料。本发明提供的一种新型中温固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极材料，其特征在于， 阴极材料分子式为(PivxSrx)202S04_s (0 < χ < 0. 1)。本发明提供的一种SOFC的阴极材料的制备方法，其特征在于，将金属硝酸 盐、溶解到去离子水中，然后加入氨水，在水浴锅中反应，将最终的反应产物煅烧，得到 (Pr1^xSrx) 202S04_5阴极材料，包括以下反应步骤(a)按照化学计量摩尔比(1-x) χ称取ft·硝酸盐和Sr硝酸盐溶于去离子水中 制成金属离子前躯体溶液，其中0 < χ < 0. 1 ；(b)向金属离子前躯体中加入表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDQ作为硫源，溶液 中金属离子和SDS的摩尔比为1:2;(c)用氨水调节pH约为11 ；(d)将溶液置于水浴中以40°C恒温加热lh，再将温度升到50°C恒温搅拌加热IOh ； 再将反应溶液用蒸馏水洗涤抽滤，并于80°C真空干燥，研磨得到前躯体；(e)前躯体在空气气氛1000°C下煅烧5h，得到(Pr1^xSrx)202S04_5粉体(0 < χ < 0. 1)。本发明的有益之处在于1)用模板法制备锶取代的(PrhSrx)2ASCVs的材料与固相方法相比可以降低能耗，并且掺杂发生在分子级水平更有利于取代，摩尔比更容易控制，产物更纯；2)表面活性剂的加入，一方面可以指导合成特殊形貌的阴极材料，另一方面可以 使反应条件更温和。特殊的形貌更有利于氧还原的进行，从而提高电化学性能；3)制备的掺锶的(PrhSrx)2ASCVs阴极材料的在室温下的电导率提高；4)本发明制备工艺简单，设备简单，便于操作，能耗低。
图1是所发明材料的XRD图；图2是所发明材料的衍射峰变化的XRD图；图3是所发明材料的SEM图；图4是所发明材料的(PrhSrx)2ASCVs室温的电导率曲线图。
具体实施例方式对比例1未掺杂的I^r2O2SO4阴极材料的合成称取4. 1076gPr (NO3)3 · 6Η20，5· 4440g 十二烷基硫酸钠(SDS)，19mlNH3 · H2O0 将 镨硝酸盐加到盛有IOml蒸馏水的烧杯中，再加入SDS，并用氨水调节pH约为11。然后将 其放入到40°C水浴锅中加热保温lh，然后升温至50°C后加热保温10h，并不断搅拌。反应 完毕后，抽滤洗涤，80°C的真空干燥箱中烘12h，得到的前躯体，最后将前躯体在空气气氛下 IOOO0C 5h，得到所需的Pr2ASO4阴极材料。Pr2ASO4的XRD测试结果如图1所示，结果显示 未出现杂峰。衍射峰的变化，如图2所示。所得粉体的SEM测试结果如图3所示，结果显示， 颗粒比较大，室温下的电导率测试结果如图4所示，未掺锶的电导率较低。实施例IPr位掺杂的(PrQ. 98Sr0.02 ) 2 02 S04_s阴极材料的合成称取4. 0245gPr (NO3) 3 · 6H20，0. 0406gSr (NO3)2, 5. 4440g 十二烷基硫酸钠(SDS)， 19mlNH3 -H2O0将镨盐和锶盐加到盛有IOml蒸馏水的烧杯中，再加入SDS，并用氨水调节pH 约为11。然后将其放入到40°C水浴锅中加热保温lh，然后升温至50°C后加热保温10h，并 不断搅拌。反应完毕后，抽滤洗涤，80°C的真空干燥箱中烘12h，得到的前躯体，最后将前躯 体在空气气氛下10001釙，得到所需的(Pra98Sratl2)2O2SCVs阴极材料。(Pra98Sratl2)2O2SCVs 的XRD测试结果如图1所示，测定结果表明Sr的掺杂并没有杂峰出现。掺杂少量的半径较 大的Sr取代ft·位，导致衍射峰向小角度偏移，如图2所示。所得粉体的SEM测试结果如图 3所示，从图中可已看出，颗粒变小，同时颗粒由颗粒堆积成孔，有利于氧离子的传输。室温 下的电导率测试结果如图4所示，结果显示电导率较未掺杂之前略有增加，与XRD图相对 应。实施例2ft·位掺杂的(PrQ. 97Sr0.03) 202S04_s阴极材料的合成称取3. 9828gPr (NO3) 3 · 6H20，0. 0598gSr (NO3)2, 5. 4451g 十二烷基硫酸钠(SDS)， 19mlNH3 -H2O0将镨盐和锶盐加到盛有IOml蒸馏水的烧杯中，再加入SDS，并用氨水调节pH 约为11。然后将其放入到40°C水浴锅中加热保温lh，然后升温至50°C后加热保温10h，并 不断搅拌。反应完毕后，抽滤洗涤，80°C下真空干燥12h，得到的前躯体，最后将前躯体在空 气气氛下10001: ，得到产物所需的(Pra97Sratl3)2O2SCVs阴极材料。(Pra97Sratl3)2O2SCV的 XRD测试结果如图1所示，结果表明Sr的掺杂并没有杂峰出现。随着进一步增加Sr的掺杂量，衍射峰继续向小角度偏移，如图2所示，所得粉体的SEM测试结果如图3所示，从图中可 以看出，颗粒达到最小，由纳米片堆积成的孔，有利于氧离子的传输，从而提高电化学性能。 室温下的电导率测试结果如图4所示，结果显示电导率又有明显的增加，较未掺杂之前提 高了 5倍，与XRD图相对应。实施例3ft·位掺杂的(PrQ. 94Sr0.06) 202S04_ δ的阴极材料合成称取3. 8602gPr (NO3) 3 · 6H20，0. 1196gSr (NO3)2, 5. 4454g 十二烷基硫酸钠(SDS)， 19mlNH3 -H2O0将镨盐和锶盐加到盛有IOml蒸馏水的烧杯中，再加入SDS，并用氨水调节pH 约为11。然后将其放入到40°C水浴锅中加热保温1，然后升温至50°C后加热保温10h，并不 断搅拌。反应完毕后，洗涤抽滤，在80°C的真空干燥箱中干燥12h，得到前躯体，最后将得到 的前躯体在空气气氛下1000°C煅烧釙，得到所需产物。(Pra94Sratl6)2O2SCVs的XRD测试结 果如图1所示，结果表明Sr的掺杂并没有杂峰出现。但是衍射峰开始向大角度偏移，如图2 所示，所得粉体的SEM测试结果如图3所示，结果显示，纳米片粒子开始变大。室温下的电 导率测试结果如图4所示，结果显示电导率有下降趋势，但与未掺杂相比提高了，与XRD图 相对应。实施例4ft·位掺杂的(Pra92Sratl8)2O2SCVs的阴极材料合成称取3. 7783gPr (NO3) 3 · 6H20,0. 1592g Sr (NO3)2, 5. 4454g 十二烷基硫酸钠(SDS)， 19mlNH3 -H2O0将镨盐和锶盐加到盛有IOml蒸馏水的烧杯中，再加入SDS，并用氨水调节pH 约为11。然后将其放入到40°C水浴锅中加热保温lh，然后升温至50°C后加热保温10h，并 不断搅拌。反应完毕后，洗涤抽滤，在80°C的真空干燥箱中干燥12h，得到前躯体，最后将得 到的前躯体在空气气氛下1000°C煅烧5h，得到产物(Pra92Sratl8)2O2SCVst5产物的XRD测试 结果如图1所示，结果表明Sr的掺杂并没有杂峰出现。衍射峰继续向小角度偏移，如图2 所示，所得粉体的SEM测试结果如图3所示，从图中可以看出，锶含量较高时，颗粒变大。室 温下的电导率测试结果如图4所示，结果显示电导率继续下降，但总体与未掺杂之前相比 提高，与XRD图相对应。
权利要求
1.一种中温固体氧化物燃料电池阴极材料，其特征在于，阴极材料分子式为 (PiVxSrx)202S04_s，0 < χ < 0. 1。
2.—种SOFC的阴极材料的制备方法，其特征在于，将金属硝酸盐溶解到去离子水中， 然后加入氨水，在水浴锅中反应，将最终的反应产物煅烧，得到(ftvxSrx)202S04_s阴极材料， 包括以下反应步骤(a)按照化学计量摩尔比(1-x) χ称取ft·硝酸盐和Sr硝酸盐溶于去离子水中制成 金属离子前躯体溶液，其中0 < χ < 0. 1 ；(b)向金属离子前躯体中加入表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDQ作为硫源，溶液中金 属离子和SDS的摩尔比为1 2;(c)用氨水调节pH为11；(d)将溶液置于水浴中以40°C恒温加热lh，再将温度升到50°C恒温搅拌加热IOh；再 将反应溶液用蒸馏水洗涤抽滤，并于80°C真空干燥，研磨得到前躯体；(e)前躯体在空气气氛1000°C下煅烧釙，得到(ftvxSrx)202S04_s粉体。
全文摘要
本发明公开了一种中温固体氧化物燃料电池阴极材料及其制备方法，属于化学电源固体氧化物燃料电池材料领域。所述阴极材料分子式为(Pr1-xSrx)2O2SO4-δ。制备方法包括按照化学计量比将Pr和Sr硝酸盐溶于去离子水制成前躯体溶液，并向前躯体溶液加入十二烷基硫酸钠SDS作为硫源并用氨水调节pH为11，将溶液置于40℃恒温水浴加热1h，再将温度升到50℃恒温搅拌加热10h；反应溶液用蒸馏水洗涤抽滤，并于80℃真空干燥，研磨得到前躯体；前躯体在空气气氛1000℃下煅烧5h，得到(Pr1-xSrx)2O2SO4-δ粉体。本发明阴极材料的在室温下的电导率提高，特殊的形貌更有利于氧还原的进行。
文档编号H01M4/90GK102136582SQ20111004156
公开日2011年7月27日 申请日期2011年2月21日 优先权日2011年2月21日
发明者刘淑珍, 刘雅敏, 夏定国, 沈雪玲 申请人:北京工业大学