本发明涉及一种原位析出碳气化反应催化剂的直接碳燃料电池阳极材料，特别涉及一种具有高催化活性并且在直接碳燃料电池阳极氛围下可以析出ni-fe合金催化碳气化反应(boudouard反应)的电极材料，属于清洁能源技术领域。
背景技术：
我国进入经济高速发展的阶段，但是随着经济发展，能源消耗也随之不断提高，再加上我国“富煤、贫油、少气”的能源结构，煤炭、生物质炭等碳基燃料仍是我们主要的能量来源，而传统的能源利用方式既不断污染环境也无法满足当前越来越高的能源需求，对煤炭的高效、清洁利用方式的需求也与日俱增。固体氧化物直接碳燃料电池(solidoxidedirectcarbonfuelcell，so-dcfc)由于其碳燃料的原料来源广、发电效率高、运行污染小、安全性高等优点被认为非常有潜力取代传统的煤燃料火力利用方式。
固体氧化物直接碳燃料电池采用全固态结构，因此目前限制其发展的主要问题就是阳极侧与固体碳的接触面积较小，导致电极三相反应界面较小，而且阳极活性材料对固体碳催化氧化活性相对较差，导致碳的电化学氧化较为困难，造成了电池工作温度较高，而输出功率较低。目前较为有效的解决方法包括向碳燃料中添加金属催化剂，如铁、钙等，可以有效的催化碳气化反应(boudouard反应)，生成较容易被电化学氧化的co来提高电池性能，但这种方法稳定性较差，在燃料内部生成的co仍需进一步扩散至阳极反应活性位点处才可进一步发生电化学氧化，在一定程度上影响了电池的输出性能。因此，研究在阳极还原性氛围下保持结构稳定并且具有良好的催化活性的阳极材料是so-dcfc发展的关键。
目前直接碳固体氧化物燃料电池的阳极材料多为钙钛矿型材料和镍基复合材料，然而由于目前所研究材料对直接碳催化氧化活性较差的限制，电池性能的提高主要靠添加碳酸盐、铁、钙等附加催化剂，这样既提高了成本也不利于so-dcfc的稳定性。本发明人在前期工作中提出了一种具有双重电催化功能的直接碳燃料电池阳极材料，即铈基氧化物复合金属ni的阳极材料(公开号为cn105742653a)，改善了混合型直接碳燃料电池中碳酸盐直接腐蚀电解质的问题，加快了电池反应速率，提高了电池输出性能，但是较高的功率输出仍依赖于碳酸盐的添加，且长期运行时，稳定性有待进一步提高。现有的专利(公开号为cn102088100a)采用向燃料中添加金属盐催化剂的方法来降低电池工作温度，提高输出性能，但是加入的金属盐催化剂，如碳酸盐、硝酸盐等，在高温下容易腐蚀阳极或电解质，减少电池寿命，且会生成污染性气体，而且这种方法使用的催化剂量较大，成本较高。
技术实现要素：
本发明的目的是针对固体氧化物直接碳燃料电池阳极材料对固体碳燃料的催化活性较差，较为依赖碳酸盐、金属单质等催化剂的添加来实现高输出性能，导致效率较低且电池运行稳定性较差的问题，提供一种原位析出碳气化反应催化剂的直接碳燃料电池阳极材料，该材料具有a位有序的层状钙钛矿结构，且b位掺杂具有稳定相结构功能的nb元素，并通过fe、ni过渡金属元素掺杂调控，使材料在直接碳固体氧化物燃料电池阳极还原性氛围中可以原位析出镍铁合金，并保持钙钛矿相不变，从而提高对boudouard反应的催化活性，避免了向固体碳燃料中添加碳酸盐、金属催化剂等添加物，催化效果更好，也有效的提高了电池的使用寿命，使用本材料作为阳极的单体电池实现了高性能输出。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种原位析出碳气化反应催化剂的直接碳燃料电池阳极材料，具体分子式为(prba)0.95fe2-x-ynixnbyo5+δ(pbfnn)，具有稳定的层状钙钛矿结构。所述ni含量x数值为0.1～0.4，所述nb含量y值为0.1～0.4。
一种原位析出碳气化反应催化剂的直接碳燃料电池阳极材料，在阳极氛围中可以被固体碳还原，析出镍铁合金催化剂，提高对碳气化反应的催化活性，同时保持钙钛矿主相结构不变。
所述pbfnn阳极材料的合成方法包括：溶胶凝胶法、固相法、燃烧法、水热法或溶剂热法。
采用上述pbfnn阳极材料制备直接碳燃料sofc：所述pbfnn阳极材料通过丝网印刷的方法涂覆于la0.9sr0.1ga0.8mg0.2o3-δ电解质上，并以商业化的la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3(lscf)作为阴极材料制成单体电池，以固体碳作为燃料；向阳极侧通入10ml/min的载气。
所述载气为n2、ar、he、co2或水蒸气中的一种。
所述固体碳燃料包括活性碳、石墨、生物质碳、纤维板、碳黑、焦炭、煤等。
本发明的工作机理为：首先，阴极生成的o2-离子通过电解质传递到pbfnn阳极与固体碳燃料接触的反应活性位点处，碳发生电化学氧化生成co或co2，同时释放出电子，金属集流体为电子提供传输通道，在外电路形成电流。所发明的pbfnn电极材料具有良好的离子电子导电性，有效的增加了电极反应活性位点，同时由于碳的还原性，pnfnn可以在阳极氛围中析出镍铁合金，具有较高的催化boudouard反应的活性，使反应生成的co2与碳进一步反应生成co再参与电化学氧化，提高了碳的利用率，也有效的提高了电池的功率输出。
有益效果
1、本发明所合成的新材料(prba)0.95fe2-x-ynixnbyo5+δ(pbfnn)作为直接碳固体氧化物燃料电池阳极材料，在阳极还原性氛围中可以原位析出镍铁合金，并保持钙钛矿主相不变，从而提高对boudouard反应的催化活性，避免了向固体碳燃料中添加碳酸盐、金属催化剂等添加物，在不影响催化活性的前提下也有效的提高了电池的使用寿命，使用本材料作为阳极的单体电池实现了高性能输出。
2、本发明公开的一种具有良好稳定性和高催化活性的so-dcfc阳极材料，在燃料电池阳极氛围下可以析出合金催化剂，对boudouard反应具有较高的催化活性，避免了向燃料中添加碳酸盐、金属盐等容易对电池结构造成破坏的催化剂，提高了电池寿命，制备的单体电池同样也实现了较高的功率输出，在800℃的工作温度下最大输出功率可达600mw/cm2，在750℃下可稳定工作50h以上，是常见的dcfc在高温下工作寿命的2倍以上。
附图说明
图1为pbfnn阳极材料经活性碳还原前后的xrd图；
图2为pbfnn经过活性碳还原后表面析出镍铁合金的sem图；
图3为实施例1组装的电池放电曲线图；
图4为实施例1组装的电池稳定性测试曲线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种原位析出碳气化反应催化剂的直接碳燃料电池阳极材料，具体分子式为(prba)0.95fe1.6ni0.2nb0.2o5+δ。制备方法如下：
取4.1326g六水合硝酸镨，2.4827g硝酸钡，6.464g九水合硝酸铁，0.5816g六水合硝酸镍，1.0761g草酸铌于500ml去离子水中，加入16.3909g柠檬酸，80℃水浴加热搅拌，直至形成红棕色透明凝胶，在250℃下烘干得到深褐色前驱体，将前驱体研磨后在空气氛围下1100℃焙烧6h得到(prba)0.95fe1.6ni0.2nb0.2o5+δ粉体，xrd分析表明材料具有钙钛矿相结构，如图1所示。
将所制备的粉体用粉末压片机在300mpa的压强下压成5mm×5mm×20mm的长条状，用程序升温的烧结方式在1200℃条件下烧结6h，得到较为致密的样品，将样品条埋于实验所用的活性碳燃料中，置于气氛炉中，通入100ml/min氩气，经过2h升温至800℃，保温5h后降至室温，将样品条置于去离子水中超声30min使其和活性碳分离，烘干后用sem表征样品被活性碳还原后析出镍铁合金的形貌，如图2。
以所制备的材料为阳极材料，以la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3(lscf)为阴极材料，以la0.9sr0.1ga0.8mg0.2o3-δ(lsgm)作为电解质，通过丝网印刷的方式印刷在电解质两侧组装成dc-sofc，将适量活性碳至于阳极室内作为燃料，以10ml/minar气作为载气，以静态空气作为氧化剂，电池的工作温度为800℃，实现的最大功率输出为605mw/cm2，如图3。电池在工作温度750℃下，以150ma/cm2的电流密度恒电流输出，稳定工作50h，如图4。
实施例2
一种原位析出碳气化反应催化剂的直接碳燃料电池阳极材料，具体分子式为(prba)0.95fe1.7ni0.1nb0.2o5+δ。制备方法如下：
取4.1326g六水合硝酸镨，2.4827g硝酸钡，6.868g九水合硝酸铁，0.2908g六水合硝酸镍，1.0761g草酸铌于500ml去离子水中，加入16.3909g柠檬酸，80℃水浴加热搅拌，直至形成红棕色透明凝胶，在250℃下烘干得到深褐色前驱体，将前驱体研磨后在空气氛围下1100℃焙烧6h得到(prba)0.95fe1.7ni0.1nb0.2o5+δ粉体。
以所制备的材料为阳极材料，以la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3(lscf)为阴极材料，以la0.9sr0.1ga0.8mg0.2o3-δ(lsgm)作为电解质，通过丝网印刷的方式印刷在电解质两侧组装成dc-sofc，将8000目石墨置于阳极室内作为燃料，以10ml/minar气作为载气，以静态空气作为氧化剂，电池的工作温度为800℃，实现的最大功率输出为375mw/cm2。
实施例3
一种原位析出碳气化反应催化剂的直接碳燃料电池阳极材料，具体分子式为(prba)0.95fe1.7ni0.2nb0.1o5+δ。制备方法如下：
取4.1326g六水合硝酸镨，2.4827g硝酸钡，6.868g九水合硝酸铁，0.5816g六水合硝酸镍，0.538g草酸铌于500ml去离子水中，加入16.3909g柠檬酸，80℃水浴加热搅拌，直至形成红棕色透明凝胶，在250℃下烘干得到深褐色前驱体，将前驱体研磨细后在空气氛围下1100℃焙烧6h得到(prba)0.95fe1.7ni0.2nb0.1o5+δ粉体。
以制备的材料为阳极材料，以la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3(lscf)为阴极材料，以la0.9sr0.1ga0.8mg0.2o3-δ(lsgm)作为电解质，通过丝网印刷的方式印刷在电解质两侧组装成dc-sofc，将固体活性碳与碳酸盐(碳酸锂与碳酸钾的摩尔比为62:38)按质量比4:1混合至于阳极室内，以10ml/minar气作为载气，以静态空气作为氧化剂，电池的工作温度为800℃，实现的最大功率输出为464mw/cm2。
实施例4
一种原位析出碳气化反应催化剂的直接碳燃料电池阳极材料，具体分子式为(prba)0.95fe1.7ni0.1nb0.2o5+δ。采用固相法合成材料，具体制备方法如下：
称取1.6173g氧化镨(pr6o11)、1.8747g碳酸钡、1.36g三氧化二铁、0.0747g氧化镍、0.2658g五氧化二铌，置于球磨机中以400转每秒的速度球磨24h，将球磨后的粉体在空气氛围下1100℃焙烧10h得到具有钙钛矿相结构的(prba)0.95fe1.7ni0.1nb0.2o5+δ阳极材料。
以制备的材料为阳极材料，以la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3(lscf)为阴极材料，以la0.9sr0.1ga0.8mg0.2o3-δ(lsgm)作为电解质，通过丝网印刷的方式印刷在电解质两侧组装成dc-sofc，将固体活性碳至于阳极室内作为燃料，以10ml/minar气作为载气，以静态空气作为氧化剂，电池的工作温度为800℃，实现的最大功率输出为420mw/cm2。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。