一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂及其制备方法和应用

本发明涉及一种氧化物燃料电池阴极催化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池是一种理想的燃料电池，不但具有其它燃料电池高效、环境友好的优点，而且还具有以下突出优点：1)、固体氧化物燃料电池是全固体结构，不存在使用液体电解质带来的腐蚀问题和电解质流失问题，实现长寿命运行。2)、固体氧化物燃料电池的工作温度为800～1000度，不但电催化剂不需要采用贵金属，而且还可以直接采用天然气、煤气和碳氢化合物作为燃料，简化了燃料电池系统。但其运行温度较高，对电池组件的高温化学相容性和稳定性提出很高要求。为此，开发中温500～700度范围内固体氧化物燃料电池的关键电极材料成为研究的主要方向。但操作温度的降低电极的电化学活性和输出性能也急速下降，从而阻碍了固体氧化物燃料电池应用领域。为此，需要探索具有优异电化学活性的固体氧化物燃料电池阴极催化剂。

技术实现思路

1、本发明的目的是要解决现有中温固体氧化物燃料电池的电催化性能和低氧还原反应活化能均差的问题，而提供一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂及其制备方法和应用。

2、一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂的化学式为bi0.8ca0.2feo3-δ，是典型的单相的菱形钙钛矿结构，空间群为r3c，微观形貌为管状结构，比表面积为88m2·g-1。

3、一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂的制备方法是以脱脂棉为模板制备管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂，具体是按以下步骤完成的：

4、一、浸渍：

5、①、对脱脂棉进行清洗，干燥；得到清洗干燥过的脱脂棉；

6、②、将bi(no3)3·5h2o、ca(no3)2·4h2o、fe(no3)3·9h2o溶解到去离子水中，得到混合溶液；

7、③、室温下将清洗干燥过的脱脂棉浸泡在混合溶液中一段时间，再干燥，得到浸渍干燥后的脱脂棉；

8、二、煅烧：

9、将浸渍干燥后的脱脂棉放入坩埚中，再于空气气氛下升温至煅烧温度，在煅烧温度下煅烧一段时间，得到管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂。

10、一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂用于制备管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂对称电池，具体制备方法如下：

11、将管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂与松油醇混合，得到阴极浆料；将阴极浆料对称地刷涂在cgo固体电解质上，然后放入高温炉中烧结，得到管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂对称电池。

12、本发明的有益效果：

13、一、本发明采用脱脂棉为生物质模板制备了一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂，具有更大的比表面积，比表面积为88m2·g-1，使电化学反应区扩展到整个阴极内部，增大了反应活性位点数目，提高阴极催化剂的电化学性能，从而具有优于传统的溶胶-凝胶法合成的粉体电极材料的电化学性能；

14、二、本发明制备的一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂在500～700℃的温度范围内，具有很好的高温化学稳定性和电催化性能，利用一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂制备的管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂对称电池在700℃空气下极化电阻仅为0.06ωcm-2，活化能仅为128.68kjmol-1；

15、三、本发明方法简单，操作方便，适合工业化生产。

16、本发明可获得一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂。

技术特征：

1.一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂，其特征在于一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂的化学式为bi0.8ca0.2feo3-δ，是典型的单相的菱形钙钛矿结构，空间群为r3c，微观形貌为管状结构，比表面积为88m2·g-1。

2.根据权利要求1所述的一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂，其特征在于利用一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂制备的管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂对称电池，在700℃空气下极化电阻为0.06ωcm-2，活化能为128.68kjmol-1。

3.如权利要求1所述的一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于该方法是以脱脂棉为模板制备管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂，具体是按以下步骤完成的：

4.根据权利要求3所述的一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于步骤一①中使用去离子水对脱脂棉进行清洗3次～5次，再在60℃下干燥，得到清洗干燥过的脱脂棉；步骤一③中室温下将清洗干燥过的脱脂棉浸泡在混合溶液中6h，再在60℃干燥12h。

5.根据权利要求3所述的一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于步骤一②中所述的bi(no3)3·5h2o的质量与去离子水的体积比为1.94g:100ml；步骤一②中所述的ca(no3)2·4h2o的质量与去离子水的体积比为0.24g:100ml；步骤一②中所述的fe(no3)3·9h2o的质量与去离子水的体积比为2.02g:100ml。

6.根据权利要求3所述的一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于步骤一③中脱脂棉的质量与步骤一②中去离子水的体积比为2g:100ml。

7.根据权利要求3所述的一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂的制备方法，其特征在于步骤二中所述的升温的速率为1℃/min；步骤二中所述的煅烧温度为800℃；煅烧的时间为2h。

8.如权利要求1～7任意一项所述的一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂的应用，其特征在于一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂用于制备管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂对称电池，具体制备方法如下：

9.根据权利要求8所述的一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂的应用，其特征在于所述的管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂的质量与松油醇的体积比为0.1g:(0.05ml～0.1ml)；所述的烧结工艺为：首先在350℃～400℃下烧结1h～2h，再在700℃～800℃下烧结15min～30min。

10.根据权利要求9所述的一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂的应用，其特征在于所述的烧结工艺为：首先在400℃下烧结2h，再在750℃下烧结15min。

技术总结
一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂及其制备方法和应用，涉及一种氧化物燃料电池阴极催化剂及其制备方法和应用。本发明的目的是要解决现有中温固体氧化物燃料电池的电催化性能和低氧还原反应活化能均差的问题。一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂的化学式为Bi<subgt;0.8</subgt;Ca<subgt;0.2</subgt;FeO<subgt;3‑δ</subgt;，是典型的单相的菱形钙钛矿结构，空间群为R3c，微观形貌为管状结构。方法：一、浸渍；二、煅烧。一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂用于制备管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂对称电池。本发明方法简单，操作方便，适合工业化生产。本发明可获得一种管状结构氧化物燃料电池阴极催化剂。

技术研发人员：李强,楚遵兴,夏天,赵辉,孙丽萍
受保护的技术使用者：黑龙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16