具有質子電子混合導電的鐵基單相陰極材料體系及制備方法技術

一種具有質子電子混合導電的鐵基單相陰極材料體系及制備方法，屬于鐵基單相陰極材料體系及制備方法。所述的鐵基單相陰極材料體系：選擇質子導體BaZrO

Iron based single-phase cathode material system with proton electron mixed conduction and preparation method thereof

The invention relates to a iron-based single-phase cathode material system with proton electron mixed conduction and a preparation method thereof, belonging to a iron-based single-phase cathode material system and a preparation method thereof. The iron-based single-phase cathode material system selects proton conductor BaZrO

【技術實現步驟摘要】
具有質子電子混合導電的鐵基單相陰極材料體系及制備方法
本專利技術涉及一種鐵基單相陰極材料體系及制備方法，特別是一種具有質子電子混合導電的鐵基單相陰極材料體系及制備方法。
技術介紹
固體氧化燃料電池(SOFC)一種能夠把燃料中的化學能直接轉變成為電能的能量轉化裝置。目前，SOFC商業化進程所遇到最大的瓶頸就是成本問題和使用可靠性問題。從傳統的1000℃左右的高溫范圍降低至中低溫范圍(400-800℃)，較低成本的金屬合金連接材料和相應的高穩定性的電極材料都能夠得到使用，同時降低了電池組元間的侵蝕，從而SOFC的材料成本和電池的維護成本都大大降低，并且也沒有影響SOFC的發電效率。然而，隨著操作溫度的降低，電池的陰極極化損失急劇增加，遠遠大于電解質歐姆損失的增加幅度，這就需要尋找和研制在中低溫范圍比經典的La1-xSrxMnO3(LSM)陰極更具有良好性能和穩定性的新型陰極材料。無論是氧離子傳導型O-SOFC還是質子傳導型H-SOFC的陰極過程主要是氧氣吸附解離并與電子相結合形成氧離子的活性區，并在陰極與電解質的三相界面處發生氧離子的電化學反應及遷移。這些主要涉及氧氣的氣相擴散、解離吸附、得電子成為氧離子的電化學反應、氧離子在電極中的體擴散和表面擴散，不同的是對于O-SOFC型是氧離子穿越三相界面進入電解質內部傳輸，而對于H-SOFC型是氧離子與從電解質內部傳輸過來的質子發生在三相界面處發生電化學反應。但是對于H-SOFC的陰極材料來說，大部分的陰極材料體系的選擇還是直接把O-SOFC的陰極材料體系直接拿過來使用，考慮到H-SOFC特殊的陰極過程，使用氧離子導體和質子導體混合形成質子氧離子復合陰極可以有效的降低陰極極化電阻，增加電池的性能。但是復合陰極中經常出現化學相容性差，在長期工作過程中易產生第二相，降低電池是實際使用；其次復合陰極的復雜的制備過程進一步增加電池的制造成本，制約了SOFC商業化。
技術實現思路
本專利技術的目的是要提供一種具有質子電子混合導電的鐵基單相陰極材料體系及制備方法，獲得在中低溫范圍內具備高的化學穩定性和催化活性的鐵基單相陰極材料體系及制備方法。本專利技術的目的是這樣實現的：本專利技術的具有質子電子混合導電的鐵基單相陰極材料包括鐵基陰極材料體系及制備方法；所述的鐵基單相陰極材料體系：選擇質子導體BaZrO3，摻雜三價陽離子Y3+，增加材料的質子電導率，再引入過渡金屬離子Fe改變材料的能帶結構，降低帶隙，產生電子電導，獲得具有質子電子混合導電的單相陰極材料。所述的鐵基單相陰極材料體系的制備方法:按照Ba：Zr：Y：Fe＝1：0.8-x：0.2：x的摩爾比例稱量每個元素所對應的化學原料，加入檸檬酸，EDTA兩種絡合劑，通過硝酸，氨水溶解，調節PH＝6-7，燒成初級粉，再預燒1250℃-5h成粉，得到所制備陰極材料。制備方法步驟為：(1)首先將陰極材料式子中的元素，按比例找取相對應的化學藥品，C4H6BaO4、Zr(NO3)4·3H2O、Y(NO3)3·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O，根據成分中所含元素比例，稱量所需質量；所述的式子為BaZr0.8-xFexY0.2O3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6；(2)先往干凈的燒杯中加入Zr(NO3)4·3H2O，在加入10-15ml硝酸，50-100ml蒸餾水，放在電爐上加熱，攪拌至澄清；(3)再向燒杯中加入稱取好的C4H6BaO4、Y(NO3)3·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O，然后再加入絡合劑檸檬酸和乙二胺四乙酸(EDTA)，所述檸檬酸和EDTA的質量按：按總金屬離子數：檸檬酸：EDTA＝1：1：0.8加入燒杯中；(4)最后加入氨水，氨水量為20～60ml，攪拌溶液變至澄清，測pH6-7；再放入陶瓷鍋中在電爐上加熱、攪拌，至溶液水分完全蒸發；溶液變得粘稠隨后發生起火，等鍋中粉體冷卻下來即為所得陰極初級粉體；(5)將收集的初級粉體放入耐高溫陶瓷鍋中，再放入箱式爐中加熱1250℃-5h，待降到室溫后取出，所得到的陰極材料。有益效果，由于采用了上述方案，通過在擁有很好的化學穩定性和良好的質子電導率的鈣鈦礦結構BaZrO3中，摻雜Y3+能夠提高質子電導率，再摻雜過渡金屬Fe，可以產生電子電導，由此獲得一種具有質子電子混合導電單相極材料。BaZr0.2Fe0.6Y0.2O3-δ的最大電子電導率達到1.46×10-1S/cm，燒結1250℃-5h后750℃的極化阻抗為0.88Ωcm2，具有混合質子電子混合導電的陰極材料BaZr0.2Fe0.6Y0.2O3-δ的電極極化損失Rp的電導活化能只有120.83kJmol-1。附圖說明圖1為實施例1-3BaZr0.8-xFexY0.2O3-δ(x＝0.2，0.4，0.6)預處理后粉體的XRD圖。圖2為實施例1-3BaZr0.8-xFexY0.2O3-δ(x＝0.2，0.4，0.6)三種陰極粉體電導率與溫度的關系圖。圖3為實施例3BaZr0.2Fe0.6Y0.2O3-δ燒結1250℃-5h，在不同溫度下的阻抗譜圖。圖4為實施例3BaZr0.2Fe0.6Y0.2O3-δ的電極極化損失Rp隨溫度的變化關系圖。具體實施方式本專利技術的具有質子電子混合導電的鐵基單相陰極材料包括鐵基陰極材料體系及制備方法；所述的鐵基單相陰極材料體系：選擇質子導體BaZrO3，摻雜三價陽離子Y3+，增加材料的質子電導率，再引入過渡金屬離子Fe改變材料的能帶結構，降低帶隙，產生電子電導，獲得具有質子電子混合導電的單相陰極材料。所述的鐵基單相陰極材料體系的制備方法:按照Ba：Zr：Y：Fe＝1：0.8-x：0.2：x的摩爾比例稱量每個元素所對應的化學原料，加入檸檬酸，EDTA兩種絡合劑，通過硝酸，氨水溶解，調節PH＝6-7，燒成初級粉，再預燒1250℃-5h成粉，得到所制備陰極材料。制備方法步驟為：(1)首先將陰極材料式子中的元素，按比例找取相對應的化學藥品，C4H6BaO4、Zr(NO3)4·3H2O、Y(NO3)3·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O，根據成分中所含元素比例，稱量所需質量；所述的式子為BaZr0.8-xFexY0.2O3-δ其中x＝0.2，0.4，0.6；(2)先往干凈的燒杯中加入Zr(NO3)4·3H2O，在加入10-15ml硝酸，50-100ml蒸餾水，放在電爐上加熱，攪拌至澄清；(3)再向燒杯中加入稱取好的C4H6BaO4、Y(NO3)3·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O，然后再加入絡合劑檸檬酸和乙二胺四乙酸(EDTA)，所述檸檬酸和EDTA的質量按：按總金屬離子數：檸檬酸：EDTA＝1：1：0.8加入燒杯中；(4)最后加入氨水，氨水量為20～60ml，攪拌溶液變至澄清，測pH6-7；再放入陶瓷鍋中在電爐上加熱、攪拌，至溶液水分完全蒸發；溶液變得粘稠隨后發生起火，等鍋中粉體冷卻下來即為所得陰極初級粉體；(5)將收集的初級粉體放入耐高溫陶瓷鍋中，再放入箱式爐中加熱1250℃-5h，待降到室溫后取出，所得到的陰極材料。實施例1：Ⅰ.制備0.05mol粉體，當陰極材料成分為BaZr0.6Fe0.2Y0.2O3-δ時，首先計算出Zr(NO3)4·3H2O所需的質量11.7992g，加入一個洗干凈的燒杯中，倒入50本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有質子電子混合導電的鐵基單相陰極材料體系，其特征是：鐵基單相陰極材料體系：選擇質子導體BaZrO

【技術特征摘要】
1.一種具有質子電子混合導電的鐵基單相陰極材料體系，其特征是：鐵基單相陰極材料體系：選擇質子導體BaZrO3，摻雜三價陽離子Y3+，增加材料的質子電導率，再引入過渡金屬離子Fe改變材料的能帶結構，降低帶隙，產生電子電導，獲得具有質子電子混合導電的單相陰極材料。2.權利要求1所述的一種具有質子電子混合導電的鐵基單相陰極材料體系的制備方法，其特征在于：鐵基單相陰極材料體系的制備方法:按照Ba：Zr：Y：Fe＝1：0.8-x：0.2：x的摩爾比例稱量每個元素所對應的化學原料，加入檸檬酸，EDTA兩種絡合劑，通過硝酸，氨水溶解，調節PH＝6-7，燒成初級粉，再預燒1250℃-5h成粉，得到所制備陰極材料。3.根據權利要求2所述的一種具有質子電子混合導電的鐵基單相陰極材料體系的制備方法，其特征在于：制備方法具體步驟為：(1)首先將陰極材料式子中的元素，按比例找取相對應的化學藥品，C4H6BaO4、Zr(NO3)4·3H2O、Y(NO3)3·...

【專利技術屬性】
技術研發人員：凌意瀚，吳雨杰，郭天民，陳凱，歐雪梅，郭立童，
申請(專利權)人：中國礦業大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32