一种制备高比表面积多孔电极的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种多孔电极的制备方法。
【背景技术】
[0002]多孔介质，尤其是无机非金属多孔陶瓷电解质/电介质在诸多领域都有重要应用。掺杂钙钛矿和稳定萤石结构氧化物在气相分离膜、氧渗透膜、膜反应器、固体燃料电池、固体电解池等器件上起着不可替代的功能。限制这些器件性能的主要来源有两条:一是表面过程(如表面化学反应、界面电荷转移等)，二是体相过程(如氧离子、电子在薄膜内的传导)。通过降低膜厚度，现有的薄膜制备技术已经可以最大限度地降低体相过程的阻力。如何降低表面过程的阻力是学界和工业界面临的重要课题。
[0003]表面过程主要集中在气相/电子导体/离子导体相交汇的位置，即三相界面处。目前常用电解质/电介质粉体和催化剂粉体(如N1，CuO，Pt，钙钛矿等)混磨-共烧结的方法在电解质/电介质表面上制备一层复合多孔电极，将三相界面扩展到电极内部，继而通过增加表面化学反应活性位的数量降低界面阻抗。然而混磨-烧结制备的电极内粒子尺寸多在微米量级，三相界面密度通常为0.1?I μπι/μπι3。将粒径减小到纳米尺寸将势必增加三相界面密度。近十年来，溶液浸渍法成为实验室制备纳米结构电极最常用的方法。该方法包括两个过程:首先将催化剂先驱液(常为硝酸盐溶液或熔融液)浸渍到多孔电解质骨架内，然后在800°C?900°C焙烧成相。形成的催化剂相以纳米粒子的形态覆盖在骨架表面上。该方法产生的三相界面长度通常为I?100 μπι/ μπι3，即超比表面积为I?100 μ m/ym3。由于单次浸渍-焙烧形成的催化剂量非常有限，通常要多次浸渍-焙烧才能有比较可观的浸渍量，导致制备效率低。工艺参数很难精确控制，导致重复率低。另外，化学溶液对环境的污染也不容忽视。这些是该方法尚未应用于产业界的直接原因。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是要解决现有使用溶液浸渍法制备的纳米结构电极需要多次浸渍，制备效率低、重复率低和使用的化学溶液对环境污染大的问题，而提供一种制备高比表面积多孔电极的方法。
[0005]一种制备高比表面积多孔电极的方法，是按以下步骤完成的:
[0006]一、将多孔电解质/电介质和催化剂靶材悬挂在脉冲等离子体多元共渗炉的试样架上，再将脉冲等离子体多元共渗炉抽真空至真空度为1Pa?30Pa，再将脉冲等离子体多元共渗炉在真空度为1Pa?30Pa和直流电压为500V?700V下保持1min?30min ；
[0007]二、①、向脉冲等离子体多元共渗炉中通入H2，再同时对脉冲等离子体多元共渗炉抽真空，使脉冲等离子体多元共渗炉内的压强为50Pa?lOOPa，再在压强为50Pa?10Pa和H2的气氛下将脉冲等离子体多元共渗炉保温1min?30min ；
[0008]②、向脉冲等离子体多元共渗炉内通入氢气和氩气，再同时对脉冲等离子体多元共渗炉抽真空，使脉冲等离子体多元共渗炉内压强为10Pa?lOOOPa，温度为800°C?900°C，再在压强为10Pa?100Pa和温度为800°C?900°C的条件下保温2h?1h ；
[0009]步骤二②中所述的氢气和氩气的流量比为3:1;
[0010]三、停止通入氩气，继续通入氢气，将多孔电解质/电介质和催化剂靶材在氢气气氛下自然冷却至室温，得到多孔电极；即完成一种制备高比表面积多孔电极的方法。
[0011]本发明的原理和优点:
[0012]一、本发明的一种制备高比表面积多孔电极的方法易于操作，制备效率高；
[0013]二、相比于溶液浸渍法，本发明利用热扩渗原理直接在多孔电极内形成纳米催化剂层，且工艺参数可精确控制，可实现催化剂尺寸以及分布的精确调控；
[0014]三、本发明最大限度地降低了人和化学试剂的直接接触，安全、清洁；
[0015]四、使用本发明的方法制备的多孔电极的三相界面长度为120 μπι/ μ Hi3?130 μπι/ym3与溶液浸渍法的纳米粒径相当；
[0016]五、使用本发明方法制备的多孔电极与使用现有溶液浸渍法相比，可在几小时内形成高比表面多孔电极，与现有的溶液浸渍法相比，制备周期缩短十几倍，因此也降低了成本；
[0017]六、本发明利用等离子体辉光放电效应，电离气体分子、刻蚀催化剂靶，使催化剂原子蒸镀到多孔电极内部，形成高比表面多孔电极。
[0018]本发明可获得一种制备高比表面积多孔电极的方法。
【附图说明】
[0019]图1为试验一制备的多孔电极的SEM图；
[0020]图2为XRD图，图2中I为多孔电解质/电介质的XRD曲线，2为试验一制备的多孔电极的XRD曲线，#为YSZ相，$为Ni3Fe相，!为Fea64Nia36相，&为N1相；
[0021]图3为试验一制备的多孔电极内孔壁的SEM图；
[0022]图4为试验一制备的多孔电极内孔壁的EDS扫描图，图4中I为Zr元素分布，2为Ni元素分布、3为Y元素分布，4为O元素分布，5为Fe的元素分布。
【具体实施方式】
[0023]【具体实施方式】一:本实施方式是一种制备高比表面积多孔电极的方法是按以下步骤完成的:
[0024]一、将多孔电解质/电介质和催化剂靶材悬挂在脉冲等离子体多元共渗炉的试样架上，再将脉冲等离子体多元共渗炉抽真空至真空度为1Pa?30Pa，再将脉冲等离子体多元共渗炉在真空度为1Pa?30Pa和直流电压为500V?700V下保持1min?30min ；
[0025]二、①、向脉冲等离子体多元共渗炉中通入H2，再同时对脉冲等离子体多元共渗炉抽真空，使脉冲等离子体多元共渗炉内的压强为50Pa?lOOPa，再在压强为50Pa?10Pa和H2的气氛下将脉冲等离子体多元共渗炉保温1min?30min ；
[0026]②、向脉冲等离子体多元共渗炉内通入氢气和氩气，再同时对脉冲等离子体多元共渗炉抽真空，使脉冲等离子体多元共渗炉内压强为10Pa?lOOOPa，温度为800°C?900°C，再在压强为10Pa?100Pa和温度为800°C?900°C的条件下保温2h?1h ；
[0027]步骤二②中所述的氢气和氩气的流量比为3:1;
[0028]三、停止通入氩气，继续通入氢气，将多孔电解质/电介质和催化剂靶材在氢气气氛下自然冷却至室温，得到多孔电极；即完成一种制备高比表面积多孔电极的方法。
[0029]本实施方式的原理和优点:
[0030]一、本实施方式的一种制备高比表面积多孔电极的方法易于操作，制备效率高；
[0031]二、相比于溶液浸渍法，本实施方式利用热扩渗原理直接在多孔电极内形成纳米催化剂层，且工艺参数可精确控制，可实现催化剂尺寸以及分布的精确调控；
[0032]三、本实施方式最大限度地降低了人和化学试剂的直接接触，安全、清洁；
[0033]四、使用本实施方式的方法制备的多孔电极的三相界面长度为120μπι/μπι3?130 μπι/ μm3与溶液浸渍法的纳米粒径相当；
[0034]五、使用本实施方式方法制备的多孔电极与使用现有溶液浸渍法相比，可在几小时内形成高比表面多孔电极，与现有的溶液浸渍法相比，制备周期缩短十几倍，因此也降低了成本；
[0035]六、本实施方式利用等离子体辉光放电效应，电离气体分子、刻蚀催化剂革E，使催化剂原子蒸镀到多孔电极内部，形成高比表面多孔电极。
[0036]本实施方式可获得一种制备高比表面积多孔电极的方法。
[0037]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一的不同点是:步骤一中所述的多孔电解质/电介质为多孔钇稳定氧化锆、多孔YSZ/N1复合物、多孔钐掺杂氧化铈或多孔八1203/3102复合物。其他与【具体实施方式】一相同。
[0038]本实施方式所述的多孔YSZ/N1复合物为多孔YSZ和多孔N1按任意比例混合而成；所述的多孔Al203/Si02复合物为多孔Al 203和多孔S1 2按任意比例混合而成。
[0039]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二之一不同点是:步骤一中所述的多孔电解质/电介质的厚度为0.5mm?1mm。其他步骤与【具体实施方式】一或二相同。
[0040]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一至三之一不同点是:步骤一中所述的催化剂革E材为Ni革E、Fe革E或Cu革E。其他步骤与【具体实施方式】一至三相同。
[0041]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一至四之一不同点是:步骤一中所述的催化剂靶材为块状催化剂靶材、片状催化剂靶材、网状催化剂靶材或泡沫状催化剂靶材。其他步骤与【具体实施方式】一至四相同。
[0042]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同点是:步骤一中将多孔电解质/电介质和催化剂靶材悬挂在脉冲等离子体多元共渗炉的试样架上，再将脉冲等离子体多元共渗炉抽真空至真空度为10Pa，再将脉冲等离子体多元共渗炉在真空度为1Pa和直流电压为600V下保持30min。其他步骤与【具体实施方式】一至五相同。