一种直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料及其制备方法与应用

本发明涉及燃料电池阳极材料，特别涉及一种直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、固体氧化物燃料电池(sofc)可以将化石燃料无卡诺循环限制地直接发电，sofc具备能量转换效率高且环保的优点，通过构建共生sofc将化石燃料(如乙烷)在阳极进行选择氧化转化而不是完全氧化，进而可以实现无co2排放地高效清洁使用化石燃料发电和联产增值化学品(如乙烯)。当乙烷用作o-sofc的燃料时，重点在于研究出一种具有催化乙烷脱氢能力同时能稳定放电的新型阳极材料。即使ni-ysz阳极具有较强的乙烷脱氢催化能力，但由于其较差的抗积碳能力，碳沉积在阳极催化剂表面，从而阻碍了气体传输使镍阳极失活，导致sofc放电性能迅速下降。

2、近年来研究人员发现钙钛矿结构氧化物不仅具有良好的催化活性同时也具有优异的抗积碳性能，并且钙钛矿结构中能稳定存在大量的氧空位，这对于电极之间的离子传输非常有效，因此钙钛矿结构氧化物在sofc系统中得到了广泛的研究。其中sr0.95ti0.5fe0.5o3-δ(stf5)基单钙钛矿因其具有良好的结构稳定性和一定的催化乙烷脱氢能力，可以作为乙烷转化共生型sofc的阳极材料。然而，现有sr0.95ti0.5fe0.5o3-δ(stf5)基单钙钛矿材料的电催化性能和抗积碳能力还有待提高。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料及其制备方法与应用，旨在解决现有燃料电池阳极材料电催化性能和抗积碳能力较差的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料的制备方法，其中，包括步骤：

4、按照预设化学计量比将srco3，fe2o3、tio2和nio倒入球磨罐中，以无水乙醇作为固相混合介质，经球磨罐均匀球磨后，得到初始混合粉体；

5、将所述初始混合粉体置于烘箱中进行烘干后继续用研钵进行充分研磨，得到二次混合粉体；

6、将所述二次混合粉体置于马弗炉中，在1100-1300℃下煅烧8-12h后，制得直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料，即sr0.95ti0.3fe0.5ni0.2o3-δ，记为stfn。

7、所述直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料的制备方法，其中，在1200℃下煅烧10h，制得直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料。

8、一种直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料，其中，采用本发明所述直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料的制备方法制得。

9、一种直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料的应用，其中，将本发明所述的直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料用于制备燃料电池。

10、有益效果：本发明通过b位掺杂ni活性过渡金属，研究以stfn为阳极的固体氧化物燃料电池的电化学性能，通过分析物相结构和形貌表征，表明成功制备得到了stfn阳极催化剂，后还原处理原位析出nife合金纳米颗粒，后续制备以stfn为阳极的对称电池和单电池并测试，研究阳极材料的电化学性能，最终实现乙烯与电能的共生。(1)通过固相法成功制备了sftn阳极材料，通过xrd图谱分析得到：stfn钙钛矿在还原气氛下具有良好的结构稳定性，并且原位析出nife合金纳米颗粒，并在后面的tem和xps表征中得到印证。(2)nife合金纳米颗粒的析出是提高阳极材料的电化学性能的一种有效的手段，对称电池的eis测试发现在氢气气氛下从800到650℃的极化阻抗分别为:0.144，0.206，0.371，0.643ω·cm2。(3)以stfn为阳极的全电池在氢气和乙烷气氛下电池的功率密度分别为1207.62和312.78mw·cm-2，从性能方面也再次证明了原位析出的nife合金纳米颗粒对于阳极催化有明显的改善效果。(4)在750℃时，分别分析了电池在开路电压和工作状态下乙烷的转化率，当有电流时，乙烷的转化率提高了3％，实现了乙烷共生乙烯和电能。(5)最后分析了燃料电池的稳定性，可以发现在100h测试过程中电池平稳运行，没有出现明显的衰减，表明电池具有良好的催化稳定性和抗积碳能力。

技术特征：

1.一种直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料的制备方法，其特征在于，在1200℃下煅烧10h，制得直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料。

3.一种直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料，其特征在于，采用该权利要求1-2任一所述直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料的制备方法制得。

4.一种直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料的应用，其特征在于，将权利要求3所述的直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料用于制备燃料电池。

技术总结
本发明公开一种直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料及其制备方法与应用，其中，制备方法包括步骤：按照预设化学计量比将SrCO<subgt;3</subgt;，Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、TiO<subgt;2</subgt;和NiO倒入球磨罐中，以无水乙醇作为固相混合介质，经球磨罐均匀球磨后，得到初始混合粉体；将所述初始混合粉体置于烘箱中进行烘干后继续用研钵进行充分研磨，得到二次混合粉体；将所述二次混合粉体置于马弗炉中，在1100‑1300℃下煅烧8‑12h后，制得直接乙烷固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极材料，即Sr<subgt;0.95</subgt;Ti<subgt;0.3</subgt;Fe<subgt;0.5</subgt;Ni<subgt;0.2</subgt;O<subgt;3‑δ</subgt;，记为STFN。本发明STFN钙钛矿在还原气氛下具有良好的结构稳定性，并且原位析出NiFe合金纳米颗粒，其不仅提高了阳极材料的电化学性能，还实现了乙烷共生乙烯和电能。

技术研发人员：骆静利,陈磊,奚修安,符显珠
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25