一种固体氧化物电池氧电极材料、制备方法与应用

本发明涉及电极材料领域，具体涉及一种固体氧化物电池氧电极材料、制备方法与应用。

背景技术：

1、固体氧化物电池(soc)根据应用模式的不同分为固体氧化物燃料电池(sofc)和固体氧化物电解池(soec)。作为发电装置，其具有燃料利用率高，环境友好，燃料分布广泛等优点。作为电解装置，其分布式的特点可与可再生的电能结合，用于电解水制氢、电解二氧化碳或电解制合成气，是一种公认的绿色能源。传统的soc由于运行温度高(>850℃)所带来的一系列问题(成本高和寿命短等)，阻碍了soc技术的商业化。因此迫切需要将socs的运行温度降低至中温区(600～800℃)。然而，操作温度的降低会使氧电极的极化电阻急剧增加，从而导致整个电池的性能衰减。因此，在中温区发展高效、稳定且成本低廉的氧电极材料对于实现soc商业化具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种固体氧化物电池氧电极材料。

2、本发明的目的之二是提供上述固体氧化物电池氧电极材料的制备方法。

3、本发明的目的之三是提供上述固体氧化物电池氧电极材料的应用。

4、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

5、第一方面，本发明提供一种固体氧化物电池氧电极材料，所述氧电极材料为单钙钛矿结构氧化物，结构式为baco0.9-xnb0.1prxo3-δ，其中0＜x≤0.1，0.1＜δ＜0.3。

6、第二方面，本发明提供上述固体氧化物电池氧电极材料的制备方法，包括如下步骤：

7、步骤一：按baco0.9-xnb0.1prxo3-δ，其中0＜x≤0.1，0.1＜δ＜0.3中各元素的化学计量比，分别称取含有ba、co、pr、nb元素的原料粉体，加入无水乙醇进行搅拌处理，得到固液混合物；

8、步骤二：对步骤一所得的固液混合物进行球磨处理，直至充分混合均匀；

9、步骤三：将步骤二所得浆料烘干，所得粉末在800℃～1100℃条件下烧结，烧结时间为10-20h，得到钙钛矿结构的baco0.9-xnb0.1prxo3-δ粉末。

10、优选的，步骤一中含ba元素的原料为碳酸钡，含co元素的原料为四氧化三钴，含pr元素的原料为氧化镨，含nb元素的原料为氧化铌。

11、优选的，步骤二所述的球磨的速度为300-500转/分钟，球磨时间为24h。优选的，步骤三中所述烧结的步骤是：先将粉末压制成片状，接着将压制好的样品依次在800℃和900℃烧结10h，然后加入无水乙醇充分研磨，最后在空气氛围下1100℃烧结10h。

12、第三方面，本发明提供上述固体氧化物电池氧电极材料在制备复合电极材料方面的应用。

13、所述复合电极材料为baco0.9-xnb0.1prxo3-δ-ce0.9sm0.1o1.9或baco0.9-xnb0.1prxo3-δ-ce0.9gd0.1o1.95，其中0＜x≤0.1。

14、将氧电极材料baco0.9-xnb0.1prxo3-δ和ce0.9sm0.1o1.9或baco0.9-xnb0.1prxo3-δ和ce0.9gd0.1o1.95按照质量比1:1进行混合，加入无水乙醇，进行球磨处理12h，烘干，得到复合电极材料。

15、本发明还提供上述固体氧化物电池氧电极材料或复合电极材料在制备固体氧化物电池方面的应用。

16、该应用包括如下步骤：

17、步骤一：将氧电极材料或复合电极材料，加入有机粘结剂混合研磨，制成均匀的氧电极浆料；将燃料极粉末sr2fe1.5mo0.5o6-δ(sfm)加入有机粘结剂混合研磨，制成均匀的燃料电极浆料；

18、步骤二：将步骤一得到的氧电极浆料涂覆于电解质层两侧，在空气气氛下950-1000℃煅烧4-8h获得钙钛矿baco0.9-xnb0.1prxo3-δ的多孔氧电极层的固体氧化物燃料电池半电池；

19、步骤三：将步骤一得到的燃料极浆料涂覆于电解质层一侧，氧电极浆料涂覆于电解质另外一侧，在空气气氛下950-1000℃煅烧4-8h，获得钙钛矿baco0.9-xnb0.1prxo3-δ的多孔氧电极层的固体氧化物燃料电池单电池。

20、优选的，所述有机粘结剂由松油醇和乙基纤维素按照质量比9:1混合组成。

21、优选的，所述氧电极材料或复合电极材料与有机粘结剂的质量比为1:2.5，燃料极粉末与有机粘结剂的质量比为1:2。

22、优选的，所述电解质为la0.9sr0.1ga0.8mg0.2o3(lsgm)、ce0.8sm0.2o1.9(sdc)、ce0.9gd0.1o1.95(gdc)中的一种。

23、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

24、1、本发明制备的钙钛矿结构的baco0.9-xnb0.1prxo3-δ材料属于一种新的氧电极材料，成分简单，合成工艺较简单等特点。通过nb和pr的引入有利于稳定立方钙钛矿结构，同时维持钴酸钡良好的电化学活性。

25、2、本发明制备的baco1-x-ynbxpryo3-δ表现出了高的电导率、优异的化学兼容性和丰富的氧活性位点。同时以本发明的baco1-x-ynbxpryo3-δ材料用于制备多孔氧电极，可以在含氧气氛中稳定的工作。

技术特征：

1.一种固体氧化物电池氧电极材料，其特征在于，所述氧电极材料为单钙钛矿结构氧化物，结构式为baco0.9-xnb0.1prxo3-δ，其中0＜x≤0.1，0.1＜δ＜0.3。

2.一种权利要求1所述的固体氧化物电池氧电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的固体氧化物电池氧电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一中含ba元素的原料为碳酸钡，含co元素的原料为四氧化三钴，含pr元素的原料为氧化镨，含nb元素的原料为氧化铌。

4.根据权利要求2所述的固体氧化物电池氧电极材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述烧结的步骤是：先将粉末压制成片状，接着将压制好的样品依次在800℃和900℃烧结10h，然后加入无水乙醇充分研磨，最后在空气氛围下1100℃烧结10h。

5.权利要求1所述的固体氧化物电池氧电极材料在制备复合电极材料方面的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，将氧电极材料baco0.9-xnb0.1prxo3-δ和ce0.9sm0.1o1.9或baco0.9-xnb0.1prxo3-δ和ce0.9gd0.1o1.95按照质量比1:1进行混合，加入无水乙醇，进行球磨处理12h，烘干，得到复合电极材料baco0.9-xnb0.1prxo3-δ-ce0.9sm0.1o1.9或baco0.9-xnb0.1prxo3-δ-ce0.9gd0.1o1.95，其中0＜x≤0.1，0.1＜δ＜0.3。

7.权利要求1所述的固体氧化物电池氧电极材料或权利要求5所述的复合电极材料在制备固体氧化物电池方面的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，该应用包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述有机粘结剂由松油醇和乙基纤维素按照质量比9:1混合组成；所述氧电极材料或复合电极材料与有机粘结剂的质量比为1:2.5，燃料极粉末与有机粘结剂的质量比为1:2。

10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述电解质为la0.9sr0.1ga0.8mg0.2o3、ce0.8sm0.2o1.9、ce0.9gd0.1o1.95中的一种。

技术总结
本发明公开了一种固体氧化物电池的氧电极材料、制备方法与应用，涉及电极材料领域。所述氧电极材料为钙钛矿结构氧化物，结构式为BaCo<subgt;0.9‑x</subgt;Nb<subgt;0.1</subgt;Pr<subgt;x</subgt;O<subgt;3‑δ</subgt;，其中0＜x≤0.1，0.1＜δ＜0.3，采用固相烧结法制备得到。本发明制备的钙钛矿结构的BCNP材料具有成分较简单、均匀，合成工艺较简单等特点。与常用的固体氧化物电池电解质材料在高温下具有良好的化学兼容性。Nb和Pr的引入显著提升BCNP材料的导电性能，并提供大量的活性位点，以BCNP作为氧电极，对氧气体具有快速催化的作用。在不同运行模式下，以BCNP作为氧电极的电池均表现出良好的电化学性能。同时以本发明的BCNP材料用于制备多孔氧电极，可以在高温氧化气氛中稳定的工作。

技术研发人员：金芳军,凌意瀚,王鑫鑫,田云峰,陈婷,王绍荣
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11