[發明專利]一種中溫固體氧化物燃料電池陰極材料及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201910020423.2
• 申請日: 2019-01-09
• 公開（公告）號: CN109742414A
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 姚傳剛;王闖;王雪嬌;陳雙龍;董玉娟;張蓉瑜;鄭會玲
• 申請（專利權）人: 渤海大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/88
• 代理公司: 深圳匯策知識產權代理事務所(普通合伙) 44487
• 代理人: 梁超

本發明公開了一種Ta和Mo共摻雜的SrFeO_3?δ基鈣鈦礦型中溫固體氧化物燃料電池陰極材料及其制備方法和應用，所述陰極材料的化學式為SrTa_xMo_yFe_1?x?yO_3?δ，其中，x為Ta的摻雜量，0<x≤0.15，y為Mo的摻雜量，0<y≤0.15，δ為氧空位的含量，0≤δ≤0.5；所述陰極材料采用溶膠凝膠?固相兩步法制備而成，本發明通過價態高且穩定的Ta⁵⁺和Mo⁶⁺對SrFeO_3?δ進行Ta和Mo的共摻雜，通過Ta和Mo共同取代SrFeO_3?δ中的Fe，可獲得一種在中溫區結構穩定，氧還原催化活性良好的陰極材料，適用于制備中溫固體氧化物燃料電池。

技術領域

本發明屬于固體氧化物燃料電池技術領域，具體涉及一種鈣鈦礦型中溫固體氧化物燃料電池陰極材料及其制備和應用。

背景技術

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，簡稱SOFC)是一種全固態的能量轉換裝置，可直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化成電能，被公認為21世紀的綠色能源技術，對滿足電力需求、緩解能源危機、保護生態環境及保障國家安全都具有重大意義；傳統的SOFC運行溫度較高(800-1000℃)，導致其穩定性差，壽命短，成本高，從而限制了其大規模商業化應用，因此將 SOFC的工作溫度降至中溫(600-800℃)是目前該領域的研究重點；工作溫度的降低，有利于擴大SOFC相關材料的選擇范圍，增加電池系統的穩定性；但是，溫度降至中溫后，會降低SOFC陰極材料的催化活性，使SOFC陰極與電解質材料之間的界面極化電阻迅速增加，從而導致SOFC輸出性能的下降，因此，研發在中溫區具有良好的電化學催化性能的陰極材料，是目前該領域亟待解決的一個關鍵問題。

目前，該領域研究最多的陰極材料是鈣鈦礦型陶瓷材料，其中，鈷基鈣鈦礦型氧化物SrCoO_3-δ及其摻雜衍生物是研究較多的一類，該類材料具有良好的離子-電子混合導電性，但是其最大的缺點就是熱膨脹系數較大，與傳統的電解質材料之間的熱匹配性較差，因此，研發在中低溫區性能優異的非鈷基鈣鈦礦型陰極材料極其重要；相對于鈷基鈣鈦礦型材料來說，SrFeO_3-δ等鐵基鈣鈦礦型材料熱膨脹系數較低，但其電化學催化活性略差，因此近年來研究人員對SrFeO_3-δ基鈣鈦礦材料的摻雜進行了廣泛研究，以期通過摻雜的手段來增加其電化學催化性能；Niu和Jose等人分別對在SrFeO_3-δ的Sr位進行Bi摻雜和Fe位進行Si摻雜進行了研究(1.Evaluation and optimization of Bi_1-xSr_xFeO_3-δperovskites，International Journal of Hydrogen Energy 36 (2011)3179-3186；2.Investigationinto the effect of Si doping on the performance of SrFeO_3-δSOFC electrodematerials，Journal of Materials Chemistry A 1(2013)11834)；研究結果表明Bi和Si單摻雜的SrFeO_3-δ材料其界面極化電阻(Rp)仍然較高；例如，700℃時，Bi_0.2Sr_0.8FeO_3-δ和SrFe_0.9Si_0.1O_3-δ的Rp值分別為0.5Ωcm²和0.9Ωcm²，較高的界面極化電阻和較低的電化學催化活性限制了這種材料的大規模應用。