[發明專利]一種BaFeO3-δ基B位Bi2O3摻雜的固體氧化物燃料電池陰極材料及其制備方法和應用

無效

• 申請號: 201410244618.2
• 申請日: 2014-06-04
• 公開（公告）號: CN103985880A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 樂士儒;孫克寧;羅燕;關麗麗;朱曉東
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01M4/86
• 分類號: H01M4/86;H01M4/90;H01M4/88;H01M8/12
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技術領域

本發明涉及一種固體氧化物燃料電池陰極材料及其制備方法和應用，具體涉及一種包含摻雜Bi₂O₃元素的無鈷型BaFeO_3-δ基鈣鈦礦型氧化物的陰極材料及其制備方法和應用。

背景技術

燃料電池是一種能將化學能直接轉化為電能的電化學能量轉化裝置，具有清潔、安靜、高效等優點，被認為是解決化石類燃料污染環境的最有效的技術之一。在多種類型的燃料電池中，固體氧化物燃料電池(SOFC)具有極為突出的優點，例如全固態結構、便于移動和運輸，運行過程中的余熱可再次回收利用，燃料適用范圍廣等。

由于典型的SOFC需要在800～1000℃下的高溫環境中運行，從而導致了一系列問題，如陰極與電解質界面反應的發生，由于電解質、電極材料和密封材料彼此之間的熱膨脹性質的差異導致的電池穩定性的降低，需要使用耐高溫的連接材料導致電池的成本提高等。這極大地限制了材料的使用范圍，降低了性能可靠性和經濟可行性。因此，現今的研究集中于將SOFC的運行溫度降低到800℃或更低。然而隨著運行溫度的降低，電極的極化電阻尤其是陰極極化電阻急劇上升，因此急需要研究出新型的高性能的陰極替換材料以改善由于SOFC中低溫化帶來的性能的降低。

目前研究的中低溫化的SOFC所使用的鈣鈦礦型陰極材料多為Co基材料。盡管Co基材料表現出了優異的電化學性能，但是其仍存在熱膨脹系數大、運行時結構穩定性差、成本高等較多的缺點，極大的降低了商業化的可行性。

Fe基材料具有良好的高溫穩定性和一定的氧化還原催化性能，且成本較低成為了適宜替代性陰極材料，但其綜合的電化學性能相對于Co基材料仍有待于提高。

經過對現有技術檢索發現，如A?Comparative?Study?of?Oxygen?Reduction?Reaction?on?Bi-and?La-Doped?SrFeO_3-δPerovskite?Cathodes(Bi和La摻雜SrFeO_3-δ鈣鈦礦陰極的氧還原反應比較研究，Journal?of?the?Electrochemical?Society，2011，158(2)B132-B138.《電化學匯志》，公開日期2010.12.3)其中考慮了對SrFeO_3-δ鈣鈦礦陰極在A位進行Bi₂O₃和La₂O₃摻雜對氧還原催化活性的影響，但是未考慮對BaFeO_3-δ鈣鈦礦陰極在B位進行Bi₂O₃摻雜對氧還原催化活性的影響。CN102208663A公開了一種過渡金屬元素B位摻雜的BaFeO_3-δ基的ABO₃型鈣鈦礦燃料電池陰極材料及其用途，對BaFeO_3-δ鈣鈦礦陰極在B位進行金屬元素摻雜，如Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo，但卻未對Bi位進行Bi₂O₃摻雜對氧還原催化活性進行研究。

發明內容

本發明的目的是提供一種BaFeO_3-δ基B位Bi₂O₃摻雜的固體氧化物燃料電池陰極材料及其制備方法和應用，來改善現有材料的不足。本發明對BaFeO_3-δ鈣鈦礦型陰極材料進行B位Bi₂O₃摻雜，來提高材料的電化學性能，以獲得電化學性能良好、結構穩定、熱膨脹系數適宜的SOFC陰極材料。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種BaFeO_3-δ基B位Bi₂O₃摻雜的固體氧化物燃料電池陰極材料，具有鈣鈦礦型結構，其組成分子式為BaFe_1-xBi_xO_3-δ，其中δ表示氧過剩量或缺乏量，-1≤δ≤1，x表示Bi₂O₃的摻雜量，0≤x≤0.5。

本發明在BaFeO_3-δ基上B位進行Bi₂O₃的摻雜，可以提高BaFeO_3-δ材料的結構穩定性，增強導電性能和氧還原催化性能，這些特點使本發明成為中低溫固體氧化物燃料電池的理想材料。