专利名称：微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln<sub>2</sub>NiO<sub>4</sub>的制作方法
技术领域：
本发明属于化学电源固体氧化物燃料电池的阴极材料领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池阴极材料Ln2NiO4的制备方法。
背景技术：
固体氧化物燃料电池作为一种新型能源转换装置，因其高效、洁净等方面的优点正日益受到各国广泛的重视。传统的固体氧化物燃料电池由于其运行温度较高而导致了其稳定性差和寿命短。电池操作温度的降低会引起电极性能的迅速下降，而阴极材料的性能直接影响到整个电池系统的好坏。制备具有纳米结构的阴极材料可以增加阴极反应界面上的氧气扩散性能，增加阴极材料的电催化活性，增加电化学反应的活性区域，从而改善了阴极性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有固体氧化物燃料电池的阴极材料化学稳定性差和极化电阻高的问题。而提供微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2Ni04。本发明微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2NiO4的方法按下列步骤实现:一、将5 20mL油相、2 8g表面活性剂和0.5 3mL助表面活性剂混合，搅拌均匀后均分成溶液A和溶液B ；二、将1.0 8.0g可溶性稀土硝酸盐和0.5 2.5g硝酸镍溶解于10 IOOmL去离子水中，搅拌均匀后加入到溶液A中，得到微乳液A ;三、将KOH或NaOH溶解于去离子水中，形成浓度为0.5 1.0mol/L的强碱溶液，然后加入到溶液B中，得到微乳液B ；四、在搅拌的条件下将微乳液A和微乳液B混合，混合溶液的温度控制在20 400C，搅拌反应2 6小时，再静置I 5小时，然后经离心和洗涤后得到固相物，固相物以5 10°C /min的速率升温到600 900°C烧结，烧结6 12小时，得到纳米阴极Ln2NiO4 ；其中步骤一所述的油相为异辛烷、辛烷、戊烷、己烷或环己烷；表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇或司班80 ;助表面活性剂为正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇或正己醇；步骤二所述的可溶性稀土硝酸盐为 La (NO3) 3、Pr (NO3) 3、Nd (NO3) 3、Sm (NO3) 3 或Eu (NO3) 3。本发明通过微乳液法制备得到的纳米阴极Ln2NiO4材料，其粒子大小约为50nm，制备方法简单易行，经过高温快速烧结得到具有高催化性能的电池纳米阴极材料。采用交流阻抗谱方法，利用三电极体系在700°C的空气中测试，得到本发明的纳米阴极Ln2NiO4的极化电阻为0.5ohm.cm2,并且在800°C的空气气氛下烧结24小时，纳米阴极材料La2NiO4与固体电解质Ceci 9Gdtl lO195不发生化学反应，显示出良好的化学相容性和稳定性。本发明主要应用于固体氧化物燃料电池阴极中。
图1是实施例一制备的纳米阴极La2NiO4的扫描电子显微镜图像；图2是实施例一制备的纳米阴极La2NiO4及粉末阴极La2NiO4在700°C空气中交流阻抗谱图；其中图中-〇-表示纳米阴极La2NiO4的交流阻抗谱图，表示粉体阴极La2NiO4的交流阻抗谱图；图3是实施例一制备的纳米阴极La2NiO4及粉末阴极La2NiO4在700°C下空气中阴极极化曲线图，图中-._表示纳米阴极La2NiO4的阴极极化曲线，-■_表示粉体阴极La2NiO4的阴极极化曲线；图4是实施例一制备的纳米阴极La2NiO4与固体电解质Cea9GdaiOh95按1:1质量比混合后在800°C烧结24小时后的X射线衍射谱图。
具体实施例方式具体实施方式
一:本实施方式微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2NiO4的方法按下列步骤实施:一、将5 20mL油相、2 8g表面活性剂和0.5 3mL助表面活性剂混合，搅拌均匀后均分成溶液A和溶液B ；二、将1.0 8.0g可溶性稀土硝酸盐和0.5 2.5g硝酸镍溶解于10 IOOmL去离子水中，搅拌均匀后加入到溶液A中，得到微乳液A ;三、将KOH或NaOH溶解于去离子水中，形成浓度为0.5 1.0mol/L的强碱溶液，然后加入到溶液B中，得到微乳液B ；四、在搅拌的条件下将微乳液A和微乳液B混合，混合溶液的温度控制在20 400C，搅拌反应2 6小时，再静置I 5小时，然后经离心和洗涤后得到固相物，固相物以5 10°C /min的速率升温到600 900°C烧结，烧结6 12小时，得到纳米阴极Ln2NiO4 ；其中步骤一所述的油相为异辛烷、辛烷、戊烷、己烷或环己烷；表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇或司班80 ;助表面活性剂为正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇或正己醇；步骤二所述的可溶性稀土硝酸盐为 La (NO3) 3、Pr (NO3) 3、Nd (NO3) 3、Sm (NO3) 3 或Eu (NO3) 3。本实施方式得到的具有纳米结构的阴极材料Ln2NiO4可以增加阴极反应界面上氧气扩散性能，增加阴极材料的电催化活性，增加电化学反应的活性区域，从而改善了固体氧化物燃料电池的阴极性能。
具体实施方式
二:本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一将5mL环己烷、5g十二烷基苯磺酸钠和3mL异戊醇混合。其它步骤及参数与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三:本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤三将Ig的KOH溶解于20mL的去离子水中。其它步骤及参数与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四:本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是步骤四在搅拌的条件下将微乳液A和微乳液B混合，其中搅拌的速度为100 500r/min。其它步骤及参数与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
五:本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是步骤四混合溶液的温度控制在40°C，搅拌反应6小时，再静置I小时。其它步骤及参数与具体实施方式
一至四之一相同。
具体实施方式
六:本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是在于步骤四经以12000转/分钟的速度离心，再依次用乙醇洗涤2次，用去离子水洗涤2次。其它步骤及参数与具体实施方式
一至五之一相同。
具体实施方式
七:本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是步骤四固相物以5°C /min的速率升温到900°C烧结，烧结8小时。其它步骤及参数与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
八:本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是得到的纳米阴极Ln2NiO4中的Ln元素为Pr、Nd、Sm或Eu。其它步骤及参数与具体实施方式
一至七之一相同。实施例一:本实施例微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2NiO4的方法按下列步骤实施:—、将5mL异辛烧、5g十六烧基三甲基溴化铵和3mL正丁醇混合,搅拌均勻后均分成溶液A和溶液B ；二、将5g硝酸镧和1.68g硝酸镍溶解于IOmL去离子水中，搅拌均匀后加入到溶液A中，得到微乳液A ;三、将Ig KOH溶解于20mL去离子水中，然后加入到溶液B中，得到微乳液B ；四、在搅拌的条件下将微乳液A和微乳液B混合，混合溶液的温度控制在20°C，搅拌反应6小时，再静置I小时，然后经离心和洗涤后得到固相物，固相物以10°C /min的速率升温到800°C烧结，烧结8小时，得到纳米阴极La2NiO4 ；其中步骤四是以10000转/分钟的速度离心，再分别用乙醇洗涤2次，用去离子水洗漆2次。本实施例所用的的原料均购于上海帝阳化学试剂公司。通过图1的扫描电子显微镜图像可知，本实施例得到纳米阴极La2NiO4的粒子大小约为50纳米。采用交流阻抗谱方法，利用三电极体系在700°C空气中测试本发明的纳米阴极La2NiO4和粉体阴极La2NiO4的极化电阻，如图2所示，测试结果显示纳米阴极La2NiO4的极化电阻为0.5ohm.cm2,粉体阴极La2NiO4的极化电阻为3ohm.cm2,纳米阴极La2NiO4的极化电阻是粉体阴极La2NiO4极化电阻的六分之一，实验结果表明由纳米粒子组成的纳米电极具有较高的电催化性能，提高了阴极的电化学性能。采用计时电流法测量纳米阴极La2NiO4和粉体阴极La2NiO4,阴极极化曲线图如图3所示，测试气氛为空气，测试温度为700°C，实验结果显示在70(TC、50mACm-2电流密度下，纳米阴极La2NiO4的极化过电位为80mV，相同条件下粉体阴极La2NiO4的极化过电位为IOOmV。表明制备的固体氧化物燃料电池纳米阴极有效地降低了阴极材料的阴极过电位，改善了燃料电池的阴极极化现象。将本实施例得到的纳米阴极La2NiO4与固体电解质粉体Cea9Gda A195按着质量比1:1混合，在球磨机内使用氧化锆微球为研磨介质，乙醇为分散剂，研磨10小时，形成均匀混合物，均匀混合物在800°C空气气氛下连续烧结24小时，通过图4的X射线衍射谱图可知纳米阴极材料La2NiO4与固体电解质Cea9Gda A.95不发生化学反应，从而显示出良好的化学相容性和稳定性。
权利要求
1.微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2NiO4，其特征在于微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2NiO4的方法按下列步骤实现: 一、将5 20mL油相、2 8g表面活性剂和0.5 3mL助表面活性剂混合，搅拌均匀后均分成溶液A和溶液B ； 二、将1.0 8.0g可溶性稀土硝酸盐和0.5 2.5g硝酸镍溶解于10 IOOmL去离子水中，搅拌均匀后加入到溶液A中，得到微乳液A ； 三、将KOH或NaOH溶解于去离子水中，形成浓度为0.5 1.0mol/L的强碱溶液，然后加入到溶液B中，得到微乳液B ； 四、在搅拌的条件下将微乳液A和微乳液B混合，混合溶液的温度控制在20 40°C，搅拌反应2 6小时，再静置I 5小时，然后经离心和洗涤后得到固相物，固相物以5 IO0C /min的速率升温到600 900°C烧结，烧结6 12小时，得到纳米阴极Ln2NiO4 ； 其中步骤一所述的油相为异辛烷、辛烷、戊烷、己烷或环己烷；表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇或司班80 ;助表面活性剂为正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇或正己醇；步骤二所述的可溶性稀土硝酸盐为 La (NO3) 3、Pr (NO3) 3、Nd (NO3) 3、Sm (NO3) 3 或 Eu (NO3) 3。
2.根据权利要求1所述的微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2NiO4，其特征在于步骤一将5mL环己烧、5g十二烧基苯磺酸钠和3mL异戍醇混合。
3.根据权利要求2所述的微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2NiO4,其特征在于步骤三将Ig的KOH溶解于20mL的去离子水中。
4.根据权利要求1、 2或3所述的微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2NiO4,其特征在于步骤四在搅拌的条件下将微乳液A和微乳液B混合，其中搅拌的速度为100 500r/mino
5.根据权利要求1所述的微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2NiO4，其特征在于步骤四混合溶液的温度控制在40°C，搅拌反应6小时，静置I小时。
6.根据权利要求1所述的微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2NiO4，其特征在于步骤四经以12000转/分钟的速度离心，再依次用乙醇洗涤2次，用去离子水洗涤2次。
7.根据权利要求1所述的微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2NiO4，其特征在于步骤四固相物以5°C /min的速率升温到900°C烧结，烧结8小时。
8.根据权利要求1所述的微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2NiO4，其特征在于得到的纳米阴极Ln2NiO4中的Ln元素为Pr、Nd、Sm或Eu。
全文摘要
微乳液法制备固体氧化物燃料电池纳米阴极Ln2NiO4，它涉及一种固体氧化物燃料电池阴极材料Ln2NiO4的制备方法。本发明要解决现有固体氧化物燃料电池的阴极材料化学稳定性差和极化电阻高的问题。制备方法一、将油相、表面活性剂和助表面活性剂混合，搅拌溶液均分成两份；二、可溶性稀土硝酸盐和硝酸镍溶解水中，加入到一份溶液中；三、强碱溶解于水中，加入到另一份溶液中，得到微乳液；四、两份微乳液混合，经离心和洗涤后得到的固相物，固相物再经过高温烧结得到纳米阴极Ln2NiO4。本发明得到的纳米阴极Ln2NiO4的极化电阻为0.5ohm.cm2，化学稳定性较好。本发明主要应用于固体氧化物燃料电池阴极中。
文档编号H01M4/88GK103117398SQ201310076389
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者李强, 赵辉, 孙丽萍, 霍丽华, 高山 申请人:黑龙江大学