一种固体氧化物燃料电池及固体氧化物电解池用纳米电极制备方法

本发明涉及固体氧化物电池能源利用，更具体地说，本发明涉及一种固体氧化物燃料电池及固体氧化物电解池用纳米电极制备方法，尤其是涉及一种通过高温扩散法在氧化物骨架表面引入纳米催化剂制备纳米电极。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(sofc)是一种在中高温条件下将化学能转化为电能的发电装置，而固体氧化物电解池(soec)可以看作sofc的逆运行，是将电能和热能转化为化学能的储能装置，sofc/soec采用由多孔空气电极、燃料电极和之间的致密电解质构成的三明治结构，如图1所示。

2、如何提高电极材料的电催化活性和稳定性一直是制约sofc/soec器件开发与应用的核心问题之一。目前电极改性技术主要有：

3、1)浸渍法，是将功能相渗透到空气或燃料电极骨架中的过程。在浸渍之前，具有足够孔隙率的电极骨架需在电解质上预烧结。然后通过注射器将功能相的前驱体溶液浸渍到骨架中，并精确控制负载。在中温煅烧之后，纳米催化剂颗粒形成并附着到骨架材料上。通过重复该过程可以增加浸渍负载，参见图2所示。但是浸渍工艺流程复杂，钙钛矿表面负载均匀度低，且纳米金属颗粒在高温下长期运行较易长大团聚。

4、2)原位溶出法，原位溶出是指纳米颗粒在还原气氛下从骨架材料(通常是钙钛矿)表面局部生长和析出的现象。溶出的纳米颗粒通常是可还原的过渡金属和贵金属(ni、fe、co和pt等)，但是该方法容易破坏钙钛矿骨架材料的结构。

技术实现思路

1、基于此，本发明的实施例提供一种固体氧化物燃料电池及固体氧化物电解池用纳米电极制备方法，采用高温扩散法在电极骨架材料表面形成纳米催化剂颗粒，主要是将过渡金属或贵金属元素制备成催化层，将催化层贴合于电极表面，在高温的条件下扩散到电极表面，从而提高电极的催化活性。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种固体氧化物燃料电池，包括：

4、燃料电极，具有基础氧化物骨架和表面的纳米催化剂颗粒；

5、空气电极，具有基础氧化物骨架和表面的纳米催化剂颗粒；

6、电解质层，位于燃料电极和空气电极之间。

7、作为本发明的进一步方案，基础氧化物骨架由氧化物粉体材料制备的浆料印刷，并在800-1400℃的温度下烧结在电解质基材上，其中，印刷厚度在1-100μm之间。

8、作为本发明的进一步方案，纳米催化剂颗粒通过高温扩散法在氧化物骨架表面引入，并在600-1200℃的温度下进行热处理，使催化剂颗粒扩散至氧化物骨架表面。

9、作为本发明的进一步方案，燃料电极和空气电极的催化剂层位于电极的表面，与电极贴合，且施加外力以增加催化层与电极的接触，外力的范围为0.001pa-10mpa。

10、作为本发明的进一步方案，催化剂层可以放置于电池的下方或上方。

11、作为本发明的进一步方案，催化剂层根据电极的不同采用不同的催化剂制备而来，包括过渡金属和贵金属材料。

12、作为本发明的进一步方案，催化剂层的催化剂可以包括铁、钴、镍、铜、钌、铑、钯、银、铱、铂、金等过渡金属和贵金属。

13、作为本发明的进一步方案，催化剂层可以由纳米催化剂粉末堆积形成，或由纳米催化剂粉或由纳米催化剂粉末成型烧结形成，催化剂层需要具备较大的比表面积，比表面积大于1cm2/g。

14、作为本发明的进一步方案，热处理过程中可以通过调整高温氛围来调整催化层的挥发速率，包括通入氮气、氧气、水蒸气或氢气-氮气混合气体等。

15、作为本发明的进一步方案，在将燃料产生电能时，通过燃料电极与空气电极进行燃料氧化反应和氧气还原反应，此过程中作为固体氧化物燃料电池使用；在将多余电能用于电解水制氢时，进行氢析出反应和氧析出反应，此过程中作为电解池使用。

16、第二方面，本发明还提供了一种固体氧化物电解池用纳米电极制备方法，其中，纳米电极包含基础氧化物骨架及表面纳米催化剂颗粒，该纳米电极制备方法，包括以下步骤：

17、纳米电极的基础氧化物骨架通过将氧化物粉体材料制备成浆料印刷形成，印刷厚度约为1-100μm，并在电解质基材上进行烧结，烧结温度在800-1400℃之间。

18、作为本发明的进一步方案，该制备方法中，纳米电极氧化物骨架表面的纳米催化剂颗粒通过高温扩散法制备而得，步骤包括：

19、将制备好的包含氧化物骨架电极的电池放置于催化剂层上方，将电极与催化层贴合，并对催化层和电池进行热处理，热处理温度在600-1200℃之间；

20、在热处理过程中，催化剂由于高温存在挥发，纳米颗粒挥发并扩散至氧化物骨架电极表面。

21、作为本发明的进一步方案，该制备方法中，制备燃料电池电极表面放置催化剂层，其中，催化剂层可以放置于电池下方或电池上方，并可以施加外力增加催化层与电极的接触。外力范围为0.001pa-10mpa。

22、作为本发明的进一步方案，该制备方法中，催化剂层根据电极的不同采用不同的催化剂制备而来，包括铁、钴、镍、铜、钌、铑、钯、银、铱、铂、金等过渡金属及贵金属材料。

23、作为本发明的进一步方案，该制备方法中，催化剂层可以是纳米催化剂粉末堆积而成，也可以是纳米催化剂粉末成型烧结而来。不论是粉末堆积而成的催化剂层还是粉末烧结而成的催化剂层，都需要具备较大的比表面积，比表面积大于1cm2/g。

24、作为本发明的进一步方案，该制备方法中，将电池与电极表面的催化剂放置于高温环境下，并调节环境温度对样品进行热处理。热处理过程中，可以通过通入不同气氛(如氮气、氧气、水蒸气或氢气-氮气混合气体等)来调整催化层的挥发速率，控制纳米金属颗粒的大小和分布状态。

25、作为本发明的进一步方案，该制备方法中，可同时制备燃料电极和空气电极的催化剂。燃料电极和空气电极使用不同的催化层，分别对应燃料氧化反应、氧气还原反应以及电解池中的氢析出反应和氧析出反应。

26、作为本发明的进一步方案，该制备方法中，电极可经过多次热处理，每次使用不同的催化剂，从而制备多组分的纳米颗粒。

27、与现有技术相比，本发明的固体氧化物燃料电池及固体氧化物电解池用纳米电极制备方法具有以下技术效果：

28、1.高效催化性能：通过在固体氧化物电池的电极表面引入纳米催化剂，可以显著提高电极的催化性能。纳米催化剂的引入增加了电极的活性表面积，促进了反应物质的吸附和反应速率，从而提高了固体氧化物电池的能量转换效率。

29、2.稳定性和耐久性：制备过程中的热处理和高温扩散法能够使纳米催化剂与氧化物骨架电极充分结合，提供了良好的界面接触和稳定的结构。这种纳米电极结构具有较高的热稳定性和耐久性，可以在高温条件下长期稳定运行，延长固体氧化物电池的使用寿命。

30、3.多功能性：制备方法中可以使用不同的催化剂组合和热处理条件，从而实现多组分的纳米颗粒制备。这种多功能性可以根据不同的应用需求和电极反应要求，设计和制备具有特定催化性能和结构特征的纳米电极，实现电解池和燃料电池的灵活配置和高效运行。

31、4.可控性和可调节性：制备方法中通过调整高温环境中的气氛和热处理条件，可以控制催化剂的挥发速率和纳米颗粒的大小分布，实现对纳米电极结构和性能的精确控制。这种可控性和可调节性能够根据具体需求进行优化和定制化设计，提高电极的性能和适应性。

32、5.节约成本：制备方法采用印刷和烧结等常规工艺，相对简单且成本较低。同时，通过纳米催化剂的引入和优化设计，可以降低固体氧化物电池的材料消耗量，提高能源利用效率，从而降低电池制造和运行的成本。

33、综上所述，该固体氧化物燃料电池及固体氧化物电解池用纳米电极制备方法采用高温扩散法在电极骨架材料表面形成纳米催化剂颗粒，主要是将过渡金属或贵金属元素制备成催化层，将催化层贴合于电极表面，在高温的条件下扩散到电极表面，从而提高电极的催化活性。