專利名稱：一種釔摻雜的鍶鈷基中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種電池陰極材料的制備方法，具體的說是一種釔摻雜的鍶鈷基中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的制備方法。
背景技術：
隨著人們生活水平的提高，世界經濟的快速發展，能源和環境問題也日益突出。固體氧化物燃料電池(英文簡稱S0FC)作為一種高效，便捷和對環境友好的綠色能源裝置，有著其獨特的優勢，也越來越受到各國的普遍重視。而SOFC的中溫化(500-800°C)可以大大降低其制造成本，提高其操作壽命，這樣既保持傳統SOFC的突出優點，又可避免因工作溫度過高而帶來的一系列問題，然而隨著運行溫度的降低，SOFC的工作性能出現顯著地劣化， 這主要是因為工作溫度的降低使電解質的歐姆極化損失以及電極的活化極化損失增加，從而嚴重地影響了電池的性能。陰極材料作為SOFC的重要組件，其歐姆損失在整個SOFC的歐姆損失中約占65%。若降低SOFC的運行溫度，將引起陰極的極化過電位增加、界面電阻增大。因此，尋找和研制在較低的溫度下仍具有良好性能的新型陰極材料是發展中溫固體氧化物燃料電池的關鍵。鍶鈷基材料具有多相結構，例如六方，正交，鈣鐵石和簡單立方，不同相的產生依賴于周圍環境氧分壓，溫度及制備方法。在這些相中，立方相展示更高的離子遷移率和電導率，但是，若要保證更高的離子遷移率和電導率必須有化學和結構穩定性，以便在很寬的溫度范圍和氧分壓下，熱力學穩定。本發明采用溶膠-凝膠法制作了 Sra95Yaci5CoCVs, 以高價Y3+取代Sr2+，為保持電中性，氧空位將減少，同時Co4+向低價轉化，但在實驗測試中 Sr0.95Y0.05CoO3^依然保持很高的電導率，足夠滿足中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的要求，同時又維持了穩定的立方相。可見，Sra95Yatl5CoCVs材料有望成為新型的中溫固體氧化物燃料電池陰極材料。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有穩定的立方相，能維持材料良好的導電率，可以保證氧的離解和吸附能力的釔摻雜的鍶鈷基中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的制備方法。本發明的目的是這樣實現的，制備該陰極材料所采用的原料及其重量配比是
Sr (No3),
Y2O3
Co (NO3) 2 檸檬酸乙二胺四乙酸
4.02097 份、 0. 11291 份、 6Η20 5.821 份、 16.8112 份、 11.6896 份，
本發明制備方法的具體步驟是
①、首先將Y2O3粉末用馬弗爐在900°C烘干2h后，按比例稱量Sr(NO3)2^ Co(NO3),6H20、IO3、檸檬酸和乙二胺四乙酸原料，各種物質的摩爾比為檸檬酸乙二胺四乙酸金屬陽離子(Sr2+、Y3+、Co2+)的總和=2:1:1。②、將①中^O3粉末用適量濃硝酸溶解形成Y(NO3)3，在恒溫90°C下攪拌大約半小時，目的是使過量的硝酸揮發，將Sr(NO3)2和Co(NO3)2 · 6H20用蒸餾水充分溶解后與 Y (NO3) 3混合在一起放在攪拌器上攪拌一小時，形成混合硝酸鹽溶液，然后將用氨水溶解的乙二胺四乙酸和用蒸餾水溶解的檸檬酸依次倒入混合硝酸鹽溶液中，之后攪拌直到溶液變成褐色凝膠體(在攪拌過程中用氨水調節溶液PH值7-9)，然后將褐色凝膠體放入烘箱中， 在180°C下恒溫干燥大約池，使之成為蓬松的褐色粉末狀固體。③、然后將②中褐色粉末狀固體取出，研磨池后，分別在箱式高溫爐中1000°C恒溫煅燒他和1050°C恒溫煅燒他，煅燒之后取出粉末狀固體，進行XRD物相測試，測試結果顯示樣品呈立方鈣鈦礦結構。上述制備Sra95Yaci5CoCVs鈣鈦礦氧化物的方法我們稱其為溶膠_凝膠法。所述的XRD測試儀器日本Rigaku-D-Max y A 12kff轉靶X射線衍射儀。測試條件掃描范圍為20° 80°，角度步長0.02，滯留時間0.2 s;所用的靶為Cu靶，X射線為 Cu Ka線，波長為0.15418 nm。所述的電導率測試儀器上海乾峰SB118型精密直流電壓電流源，PZ158型直流數字電壓表，XMT數顯控溫儀。測試條件空氣氣氛，溫度范圍是 25-850°C。所述的電化學阻抗測試儀器上海辰華的CHI604C電化學工作站。測試條件 空氣氣氛，頻率范圍是0. Ol-IO5 Hz，初始電壓為0伏，振幅為0. 01伏。本發明的優點和積極效果包括
①、采用溶膠-凝膠法制備出Sra 95Y0.05Co03_ s，此方法的較低燒結溫度保證了較小的晶粒尺寸，粒徑均勻。②、測量了 Sra95Yatl5CoCVs樣品的電導率，當測量溫度為600°C時，電導率為435S/ cm，這樣的電導率遠遠超過了中溫固體氧化物燃料電池(500-800°C)對陰極材料的要求 (彡 100S/cm)。③、對比了 700 °g、750°C、800°C三個溫度點的阻抗，當測量溫度為800°C時是最小的，為0.046 Qcm2,作為陰極材料來講，這樣的阻抗遠遠超過了 IT-SOFC對陰極材料的要求(彡 0. 15 Ω cm2)。④、本發明Sra95Yaci5CoCVs可做為中溫固體氧化物燃料電池陰極材料，此類材料具有穩定的立方相，保證了良好的導電率，同時具有很小的界面阻抗，而很小的界面阻抗保證了氧離子在電極內部及三相界面的良好傳輸。
圖1是本發明采用溶膠-凝膠法制備Sra95Yaci5CoCVs的工藝流程圖。圖2是通過本發明方法制得的Sra95Yatl5CoCVs在1050° C燒結6小時的XRD 圖。圖3是通過本發明方法制得的Sra95Yaci5CoCVs在空氣中測試的電導率圖。圖4是在不同溫度下通過本發明方法制得的Sra95Yaci5CoCVs阻抗圖。
具體實施方式
首先將IO3粉末用馬弗爐在900°C烘干2h，按比例稱量Sr (NO3) 2，(4. 02097g)、 Y2O3 (0. 11291g)、Co (NO3)2 ·6Η20 (5. 821 g)、檸檬酸(16. 8112 g)和乙二胺四乙酸(11. 6896 g)原料，各種物質的摩爾比為檸檬酸乙二胺四乙酸金屬陽離子(Sr2+、Y3+、Co2+)的總和= 2 1 :1。將IO3粉末用適量濃硝酸溶解形成Y (NO3)3，在恒溫90°C下攪拌大約半小時，目的是使過量的硝酸揮發，將Sr (NO3) 2和Co (NO3) 2 · 6H20用蒸餾水充分溶解后和Y (NO3) 3混合在一起放在攪拌器上攪拌一小時，形成混合硝酸鹽溶液，然后將用氨水溶解的乙二胺四乙酸和用蒸餾水溶解的檸檬酸依次倒入混合硝酸鹽溶液中，之后攪拌直到溶液變成褐色凝膠體(在攪拌過程中用氨水調節溶液PH值7-9)，然后將褐色凝膠體放入烘箱中，在180°C下恒溫干燥大約池，使之成為蓬松的褐色粉末狀固體。然后將褐色粉末狀固體取出，研磨池后， 分別在箱式高溫爐中1000°C恒溫煅燒他和1050°C恒溫煅燒他，煅燒之后取出粉末狀固體， 進行XRD物相測試，測試結果顯示樣品呈立方鈣鈦礦結構。
通過對上述Sra95Yaci5CoCVs鈣鈦礦氧化物成像溫度、導電性及電化學性能的研究，得到以下結論
由圖1所示采用溶膠-凝膠法制備的Sra95Yaci5CoCVs的流程。由圖2所示Sra95Yatl5CoCVs樣品在1050° C燒結6小時的XRD圖。從圖中可以看出，其已經呈純立方鈣鈦礦相。由圖3所示Sra95Yatl5CoCVs樣品從25°C到850° C的電導率圖，發現隨著溫度的增大，電導率先增大后減小，在175° C時達到最大，即發生了由金屬導電機制到半導體導電機制的轉變。由圖4所示在不同溫度下Sra95Yatl5CoCVs的阻抗，我們取了 700 °e、750°C、800°C 三個溫度點為例。從圖中我們可以看出800°C時的阻抗值是最小的，作為陰極材料來講，這樣的阻抗值遠遠超過了中溫固體氧化物燃料電池對陰極材料的要求0. 15Qcm2)，所以 Sr0.95Y0.05CoO3^可以做為一種新型的中溫固體氧化物燃料電池陰極材料。
權利要求
1.一種釔摻雜的鍶鈷基中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的制備方法，其特征在于 制備該陰極材料所采用的原料及其重量配比是Sr (No3) 24. 02097 份、Y2O30. 11291 份、Co (NO3) 2 · 6H20 5.821 份、檸檬酸16.8112 份、乙二胺四乙酸11.6896 份，該制備方法的具體步驟是①、首先按比例稱量Sr(NO3)2^2O3、Co (NO3)2 · 6H20、檸檬酸和乙二胺四乙酸，各種物質的摩爾比為檸檬酸乙二胺四乙酸金屬陽離子(Sr2+、Y3+、Co2+)的總和=2 1 1;②、將①中IO3粉末用適量濃硝酸溶解形成Y(NO3)3，在恒溫90°C下攪拌大約半小時，目的是使過量的硝酸揮發，將Sr (NO3) 2和Co (NO3) 2 · 6H20用蒸餾水充分溶解后和Y (NO3) 3混合在一起放在攪拌器上攪拌一小時，形成混合硝酸鹽溶液，然后將用氨水溶解的乙二胺四乙酸和用蒸餾水溶解的檸檬酸依次倒入混合硝酸鹽溶液中，之后攪拌直到溶液變成褐色凝膠體(在攪拌過程中用氨水調節溶液PH 7-9)，然后將褐色凝膠體放入烘箱中，在180°C下恒溫干燥大約池，使之成為蓬松的褐色粉末狀固體；③、然后將②中褐色粉末狀固體取出，研磨池后，分別在箱式高溫爐中1000°C恒溫煅燒他和1050°C恒溫煅燒6h，煅燒之后取出粉末狀固體，進行XRD物相測試，測試結果顯示樣品呈立方鈣鈦礦結構。
2.根據權利要求1所述的一種釔摻雜的鍶鈷基中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的制備方法，其特征在于所述的XRD物相測試條件是掃描范圍為20° 80°，角度步長0. 02，滯留時間0.2 s ；所用的靶為Cu靶，X射線為Cu Ka線，波長為0.15418 nm ；所述的電導率測試條件是空氣氣氛，溫度范圍為25-850°C ；所述的電化學阻抗測試條件空氣氣氛，頻率范圍是0.01 — IO5 Hz，初始電壓為0伏， 振幅為0.01伏。
3.根據權利要求1所述的一種釔摻雜的鍶鈷基中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的制備方法，其特征在于其中的原料標準為=Sr(No3)2 J203、Co(N03)2 ·6Η20、檸檬酸和乙二胺四乙酸的純度為99%以上；濃硝酸的濃度是68% ；氨水的濃度30%。
全文摘要
本發明涉及一種釔摻雜的鍶鈷基中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的制備方法，所采用的原料是Sr(No3)2、Y2O3、Co(NO3)2·6H2O、檸檬酸、乙二胺四乙酸，制備方法是首先按比例稱量Sr(NO3)2、Y2O3、Co(NO3)2·6H2O、檸檬酸和乙二胺四乙酸，將Y2O3粉末用適量濃硝酸溶解形成Y(NO3)3，在恒溫90oC下攪拌，將Sr(NO3)2和Co(NO3)2·6H2O用蒸餾水充分溶解后和Y(NO3)3混合在一起放在攪拌器上攪拌，形成混合硝酸鹽溶液，然后將用氨水溶解的乙二胺四乙酸和用蒸餾水溶解的檸檬酸依次倒入混合硝酸鹽溶液中，之后攪拌直到溶液變成褐色凝膠體，然后將褐色凝膠體放入烘箱中干燥，使之成為蓬松的褐色粉末狀固體；然后將上述褐色粉末狀固體取出研磨，分別在箱式高溫爐中恒溫煅燒，取出粉末狀固體進行XRD物相測試，測試結果顯示樣品呈立方鈣鈦礦結構。
文檔編號H01M4/88GK102569827SQ20101060450
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月24日 優先權日2010年12月24日
發明者劉曉艷, 孟祥偉, 張永軍, 楊景海, 王雅新 申請人:吉林師范大學