[發明專利]一種NiO/質子電解質復合薄膜電極結構及其制備方法

在審

• 申請號: 201711251421.1
• 申請日: 2017-12-01
• 公開（公告）號: CN108154950A
• 公開（公告）日: 2018-06-12
• 發明（設計）人: 張華;李帥;呂琴麗;王樹茂
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: H01B5/14
• 分類號: H01B5/14;H01B13/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

本發明涉及一種NiO/質子電解質復合薄膜電極結構及其制備方法，該體系以多孔材料為基底，其上依次覆有氧化物陶瓷隔離層和復合電極層，實現了復合電極的薄膜化。隔離層的加入能有效降低或阻隔多孔基底和復合薄膜電極層之間的元素擴散，保證電極層的完整性。復合電極采用與電解質層相同體系的粉體，有利于與后續電解質層保持一致性，減小膜層之間的界面效應。漿料涂覆法能得到較薄的復合電極層，有利于降低擴散電阻，提高工作效率。

技術領域

本發明屬于陶瓷薄膜技術領域，特別涉及一種NiO/質子電解質復合薄膜電極結構及其制備方法。

背景技術

質子電解質，特別是鈣鈦礦型氧化物陶瓷以其在高溫條件下的化學、熱力學、機械穩定性和高質子電導率得到了研究者的廣泛重視。鈣鈦礦型質子電解質可廣泛應用于固體燃料電池、氫泵(氫氣分離)、氣體傳感器、有機物的加氫脫氫等領域。

在質子電解質組件中，NiO/質子電解質復合電極近年來被廣泛關注，這是因為復合電極不僅有良好的形孔性和催化性能，更能為整個組件提高質子電導。目前NiO/質子電解質復合電極的應用以燒結陶瓷為主，其局限性在于：電極厚度達到毫米量級，氣體擴散電阻和濃差極化迅速增大，導致工作效率低；而且由于成型工藝復雜，成本較高，難以應用于高效率大比表面積、大長徑比的管式系統。因此實現NiO/質子電解質復合電極薄膜化成為質子電解質組件高導電的一個重要研究內容。為保證一定的機械強度，NiO/質子電解質復合電極以及后續的質子電解質層需要逐層沉積在多孔基底上。為使電極層與基底結合良好，需在電極制備后進行高溫燒結。在高溫燒結過程中，復合電極元素可能與多孔基底發生互擴散，在界面或整個電極層形成中間產物，這將嚴重影響電極層的微觀結構和后續電解質層的制備，并最終降低組件導電性能和使用壽命。

發明內容

本發明的目的旨在提出一種NiO/質子電解質復合電極薄膜化方法，通過在多孔基底與電極層之間增加一層氧化物陶瓷隔離層，然后再制備電極層，形成復合結構，結合低溫燒結工藝，以此降低或隔絕基底和電極元素在高溫下的互擴散，保證電極層的完整性，為后續電解質層和整個組件的研制奠定基礎。

為實現上述目的，本方明采用以下技術方案：

一種NiO/質子電解質復合薄膜電極結構，其特征在于，包括多孔基底，氧化物陶瓷隔離層和NiO/質子電解質復合電極層，所述多孔基底為支撐，其上覆有薄膜化的氧化物陶瓷隔離層和NiO/質子電解質復合電極層。

進一步，所述多孔基底包括：多孔金屬基底、多孔陶瓷基底以及兩者的混合物。

進一步，所述氧化物陶瓷隔離層含有ZrO₂、Cr₂O₃、TiO₂、Y₂O₃、MgO等，所選擇的隔離層在燒結溫度下不與基底和電極層互擴散。

進一步，所述隔離層的厚度為0.3μm～50μm。

進一步，所述NiO/質子電解質復合電極層包括NiO、質子電解質和形孔劑。

進一步，所述質子電解質為鈣鈦礦相質子電解質，包括：BaCeO₃、SrCeO₃、BaZrO₃、SrZrO₃、CaZrO₃等，以及經過一種或多種元素摻雜的上述化合物。

進一步，所述NiO/質子電解質復合電極層厚度為0.5μm～50μm。

上述NiO/質子電解質復合薄膜電極的制備方法，其中所述氧化物陶瓷隔離層通過漿料涂覆法、磁控濺射、溶膠凝膠法或等離子噴涂方法制備。