法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-05-21
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H01M4/88 授权公告日:20150701 终止日期:20180531 申请日:20130531
专利权的终止
2015-07-01
授权
授权
2013-10-09
实质审查的生效 IPC(主分类):H01M4/88 申请日:20130531
实质审查的生效
2013-09-04
公开
公开
技术领域
本发明属于燃料电池阳极材料领域,涉及一种SOFC阳极材料的制备方法,尤其涉及电纺法制备复合金属-萤石型陶瓷纳米纤维SOFC阳极的方法。
背景技术
静电纺丝技术,简称电纺,是一种简单易行的制备纳米材料的方法。采用静电纺丝技术,人们可以可控地制备一维纳米结构材料,如纳米纤维。通过静电纺丝的方法制备的纤维结构具有一系列独有的特征和性质,如特有的一维结构、长径比大、高比表面积、多孔等。
目前,SOFC 阳极催化材料主要有多孔的金属-陶瓷复合阳极材料,如Ni-YSZ,Ni-SDC, Ni-GDC,Cu-SDC,Co-SDC 等。SOFC阳极性能主要取决于其组成和微观结构,将纳米材料作为阳极材料是降低电极极化电阻的可选方法。纳米颗粒具有高的比表面积,能够增加电催化活性,但是热稳定性较差。将一维纳米材料中的纳米纤维作为阳极材料,不仅具有高的比表面积和催化活性,同时也具有高的电荷迁移率和良好的热稳定性。
Azad通过静电纺丝技术分别制备了一维的YSZ和GDC纳米纤维,Li等人利用静电纺丝技术制备了均匀的8YSZ纳米纤维,然后利用化学镀镍的方法制备了Ni-YSZ并将其应用于SOFC阳极。
发明内容
技术问题:本发明提供一种用电纺技术制备复合金属-陶瓷纳米纤维SOFC阳极的方法,通过将该纤维用作SOFC阳极,不仅降低了极化电阻,且不会增加该类电极的制作成本。该方法可制得比表面积大,孔隙率高、机械强度高、催化活性高的阳极复合纳米纤维,获得的电池阳极结构均匀、稳定,形成3D网络结构的三相界面,提高了电池的效率。整个方法简单,操作性强。
技术方案:本发明的一种用电纺技术制备复合金属-陶瓷纳米纤维SOFC阳极的方法,包括以下步骤:
a)将高分子聚合物、可溶性金属盐、陶瓷前驱体、溶剂和添加剂混合配制成复合金属-陶瓷纳米纤维纺丝溶液,所述可溶性金属盐为醋酸镍、醋酸铜或醋酸钴,所述陶瓷前驱体为SDC前驱体或GDC前驱体,所述SDC前驱体为摩尔比为0.8:0.2的硝酸铈和硝酸钐,所述GDC前驱体为摩尔比为0.8:0.2的硝酸铈和硝酸钆;
b)采用静电纺丝技术制备复合金属-陶瓷纳米纤维:将所述步骤a)配制的复合金属-陶瓷纳米纤维纺丝溶液置于微量进样器中,在静电场的作用下,在洁净的铝箔上接收复合纳米纤维,静电纺丝条件为:静电压为10~30kV,流速为0.1~1mL/h,接收距离为8~20cm,温度为10~30℃,湿度为10~50%;
c)将所述步骤b)中采用静电纺丝技术制备得到的复合纤维在马弗炉中于700~1200℃空气中烧结3~5h,得到复合金属氧化物-陶瓷纳米纤维;
d)将所述步骤c)得到的复合金属氧化物-陶瓷纳米纤维在H2气氛中还原,得到复合金属-陶瓷纳米纤维阳极材料;
e)通过丝网印刷技术,将所述步骤d)得到的复合金属-陶瓷纳米纤维负载于以SDC电解质为支撑,LSM-SDC粉体为阴极的半电池上,然后通过共烧工艺制备SOFC阳极, LSM-SDC粉体中,LSM粉体与SDC粉体的质量比为1:1。
其中,SOFC为固体氧化物燃料电池,复合金属-陶瓷纳米纤维中的金属为Ni,Cu,Co,复合金属-陶瓷纳米纤维的前驱体分别为醋酸镍,醋酸铜,醋酸钴,陶瓷为SDC(Ce0.8Sm0.2O1.9)、GDC(Ce0.8Gd0.2O1.9)。SDC含义为Sm掺杂的CeO2;GDC的含义为Gd掺杂的CeO2。
本发明方法制备的半电池中,SDC(Ce0.8Sm0.2O1.9)电解质和阴极材料中的SDC(Ce0.8Sm0.2O1.9)粉体均由柠檬酸法制得,阴极材料中的LSM(La0.8Sr0.2MnO3)粉体由改进的柠檬酸法制得。
实验中所用高分子聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子量为130,000,聚乙烯醇(PVA)醇解度为99.8~100%。
有益效果:本发明与现有技术相比,具有以下优点:
1、通过电纺技术制备的金属-陶瓷复合SOFC阳极纳米纤维,首次实现了金属和陶瓷材料一体化纤维,与现有的先通过静电纺丝技术制备一维陶瓷材料,然后化学镀金属或浸渍等其他方法制备的SOFC金属-陶瓷阳极材料相比,获得的电池阳极结构更均匀、稳定,形成良好的3D网络结构的三相界面,更大程度上提高了阳极催化活性和热稳定性。
2、复合纳米纤维通过高温烧结,具有了较高的比表面积及孔隙率,在电化学实验中有利于气体的扩散,而且增加了电极材料的电导率。
3、方法快速便捷、简单易学,重现性好,并且制造成本低,工艺简单。
附图说明
图1为实施例1中复合金属-陶瓷纳米纤维的透射电镜(TEM)图。
图2为实施例2中复合金属-陶瓷纳米纤维的场发射扫描电镜(FESEM)图。
图3为实施例3中复合金属-陶瓷纳米纤维SOFC阳极和传统粉末阳极组装的单电池在750℃时的电化学曲线。
具体实施方式
实施例1:
采用静电纺丝法制备Ni-SDC复合纳米纤维,Ni与SDC(Ce0.8Sm0.2O1.9)的质量比为30:70烧结温度为700℃,时间为4h:
a)称取0.35g醋酸镍,0.39g硝酸铈和0.1g硝酸钐,将其溶于2.5ml二甲基甲酰胺(DMF),然后加入0.25g聚乙烯吡咯烷酮( PVP)充分搅拌。
b)电纺法制备含PVP和Ni-SDC前驱体的复合纳米纤维。电纺静电压为18KV,流速为0.3mL/h,接受距离为10cm,温度为30℃,湿度为50%。
c)将所得复合纤维在空气中700℃烧结4h,得到NiO-SDC复合纳米纤维。
d)将NiO-SDC复合纳米纤维在H2中750℃还原2h,得到Ni-SDC阳极材料。
e)通过丝网印刷技,将Ni-SDC阳极材料负载于以SDC电解质为支撑,LSM-SDC粉体为阴极的半电池上,然后通过共烧工艺制备SOFC阳极。
运用四电极法,测得上述单电池750℃的最大功率密度为33.6 mW·cm-2。
实施例2:
采用静电纺丝法制备Ni-SDC复合纳米纤维,Ni与SDC(Ce0.8Sm0.2O1.9)的质量比为30:70烧结温度为750℃,时间为3h:
a)称取0.35g醋酸镍,0.39g硝酸铈和0.1g硝酸钐,将其溶于2.5ml DMF、1.5ml丙酮和0.5ml冰醋酸组成的混合溶液中,然后加入0.12g PVP充分搅拌。
b)电纺法制备含PVP和Ni-SDC前驱体的复合纳米纤维。电纺静电压为30KV,流速为0.1mL/h,接受距离为8cm,温度为10℃,湿度为10%。
c)将所得复合纤维在空气中750℃烧结3h,得到NiO-SDC复合纳米纤维。
d)将NiO-SDC复合纳米纤维在H2中800℃还原1h,得到Ni-SDC阳极材料。
e)通过丝网印刷技,将Ni-SDC阳极材料负载于以SDC电解质为支撑,LSM-SDC粉体为阴极的半电池上,然后通过共烧工艺制备SOFC阳极。
运用四电极法,测得上述单电池750℃的最大功率密度为32.8 mW·cm-2。
实施例3:
采用静电纺丝法制备Ni-SDC复合纳米纤维,Ni与SDC(Ce0.8Sm0.2O1.9)的质量比为60:40烧结温度为700℃,时间为4h:
a)配制Ni-SDC复合纳米纤维纺丝溶液。称取1.2g醋酸镍,0.39g硝酸铈和0.1g硝酸钐,分别将其溶于2ml去离子水、2ml无水乙醇和1ml丙酮组成的混合溶液中,然后加入1.31g PVP充分搅拌。
b)电纺法制备含PVP和Ni-SDC前驱体的复合纳米纤维。电纺静电压为25KV,流速为0.5mL/h,接受距离为12cm,温度为25℃,湿度为45%。
c)将所得复合纤维在空气中700℃烧结4h,得到NiO-SDC复合纳米纤维。
d)将NiO-SDC复合纳米纤维在H2中750℃还原2h,得到Ni-SDC阳极材料。
e)通过丝网印刷技,将Ni-SDC阳极材料负载于以SDC电解质为支撑,LSM-SDC粉体为阴极的半电池上,然后通过共烧工艺制备SOFC阳极。
运用四电极法,测得上述单电池750℃的最大功率密度为 53.5 mW·cm-2。
实施例4:
采用静电纺丝法制备Ni-GDC(Ce0.8Gd0.2O1.9)复合纳米纤维,Ni与GDC的质量比为70:30,烧结温度为1200℃,时间为5h:
a)配制Ni-GDC复合纳米纤维纺丝溶液。称取1.9g醋酸镍,0.38g硝酸铈和0.1g硝酸钆,将其溶于3ml无水乙醇、5ml去离子水和1ml冰醋酸组成的混合溶液中,然后加入0.6g PVP充分搅拌。
b)电纺法制备含PVP和Ni-GDC前驱体的复合纳米纤维。电纺静电压为25KV,流速为0.5mL/h,接受距离为12cm,温度为25℃,湿度为40%。
c)将所得复合纤维在空气中1200℃烧结5h,得到NiO-GDC复合纳米纤维。
d)将NiO-GDC复合纳米纤维在H2中750℃还原2h,得到Ni-GDC阳极材料。
e)通过丝网印刷技,将Ni-GDC阳极材料负载于以SDC电解质为支撑,LSM-SDC粉体为阴极的半电池上,然后通过共烧工艺制备SOFC阳极。
运用四电极法,测得上述单电池750℃的最大功率密度为 58.2 mW·cm-2。
实施例5:
采用静电纺丝法制备Cu-SDC复合纳米纤维,Cu与SDC(Ce0.8Sm0.2O1.9)的质量比为30:70烧结温度为700℃,时间为4h:
a)配制Cu-SDC复合纳米纤维纺丝溶液。分别称取0.26g醋酸铜,0.39g硝酸铈和0.1g硝酸钐,将其溶于5mlg去离子水和1ml冰醋酸组成的混合溶液中,然后与20g 质量分数为10%的聚乙烯醇(PVA)水溶液混合,在50℃水浴中加热搅拌6h。
b)电纺法制备含PVA和Cu-SDC前驱体的复合纳米纤维。电纺静电压为20KV,流速为1mL/h,接受距离为12cm,温度为25℃,湿度为40%。
c)将所得复合纤维在空气中700℃烧结4h,得到NiO-SDC复合纳米纤维。
d)将CuO-SDC复合纳米纤维在H2中750℃还原2h,得到Cu-SDC阳极材料。
e)通过丝网印刷技,将Cu-SDC阳极材料负载于以SDC电解质为支撑,LSM-SDC粉体为阴极的半电池上,然后通过共烧工艺制备SOFC阳极。
运用四电极法,测得上述单电池750℃的最大功率密度为26.5 mW·cm-2。
实施例6:
采用静电纺丝法制备Co-SDC复合纳米纤维,Co与SDC(Ce0.8Sm0.2O1.9)的质量比为30:70烧结温度为700℃,时间为4h:
a)配制Co-SDC复合纳米纤维纺丝溶液。称取0.35g醋酸钴,0.39g硝酸铈和0.1g硝酸钐,将其溶于6ml无水乙醇、2ml去离子水、1ml丙酮和1ml冰醋酸组成的混合溶液中,然后加入1g PVP充分搅拌。。
b)电纺法制备含PVP和Co-SDC前驱体的复合纳米纤维。电纺静电压为20KV,流速为0.3mL/h,接受距离为20cm,温度为25℃,湿度为45%。
c)将所得复合纤维在空气中700℃烧结4h,得到Co3O4-SDC复合纳米纤维。
d)将Co3O4-SDC复合纳米纤维所得复合纤维在H2中750℃还原2h,得到Co-SDC阳极材料。
e)通过丝网印刷技,将Co-SDC阳极材料负载于以SDC电解质为支撑,LSM-SDC粉体为阴极的半电池上,然后通过共烧工艺制备SOFC阳极。
运用四电极法,测得上述单电池750℃的最大功率密度为42.3 mW·cm-2。
从图3可看出,纤维阳极电池性能明显高于传统粉末阳极电池。
机译: 生产复合陶瓷的方法-金属(金属陶瓷);用熔融盐生产金属的堆电组件,以及用于使熔融盐腐蚀的工艺和用于生产的P工艺;熔融金属盐化法生产金属的电堆熔融法在熔融盐电池中制备金属
机译: 用苯乙烯单体制备电纺聚苯乙烯纳米纤维的方法和制备电纺聚苯乙烯-量子点混合纳米纤维的方法
机译: 使用纤维素纳米纤维的空气过滤介质以及通过熔喷法将相同能力将电纺纤维素纳米纤维过滤成过滤介质的方法