一种固体氧化物电解池Sr2TiFeO6基钙钛矿型电极材料、制备方法和应用

本发明属于固体氧化物电解池，具体涉及到一种b位阳离子掺杂的钙钛矿基对称电极材料及其制备方法。

背景技术：

1、固体氧化物电解池(soec)与固体氧化物燃料电池(sofc)的作用机理相反，是一种能量存储和转换设备，利用太阳能、风能、水力发电、海洋热等清洁能源，在不造成进一步污染的情况下减少二氧化碳排放并将其转化为有价值的工业化学品，在高温下表现出高的能量转换效率和良好的动力学。镍基金属陶瓷材料因其高催化活性和足够的电导率而被广泛用作soec燃料极，然而，活性ni颗粒在高氧分压下容易被氧化成nio，此外，ni上碳的沉积是co2电解过程中的另一个严重的问题，导致燃料极快速降解。通常在ni基复合电极上提供少量的安全气体，如h2或co，以避免nio的形成，然而，这会使soec的操作变得复杂，并提高总体成本。因此，开发具有优良的co2吸附能力、良好的催化活性和结构稳定性的燃料极材料具有十分重要的意义。钙钛矿因为其混合的离子和电子导电性以及良好的稳定性作为另一大类广泛使用的燃料极催化剂。此外，钙钛矿材料也能作为对称电极使用。相比于传统的soec，对称soec因其使用相同的材料作为燃料极和空气极具有降低材料成本、提高系统稳定性、简化系统设计、提高效能和适应多种应用场景等优势，这些优势使得对称soec在氢能源和能源转换领域具有广泛的应用前景。matter，0.1016/j.matt.2021.11.013提到的具有巨大潜力的对称电极材料la0.6sr0.4co0.2fe0.8o3(lscf)，la0.3sr0.7fe0.7ti0.3o3(lsft)，la0.75sr0.25cr0.5mn0.5o3-δ(lscm)，sr2fe1.5mo0.5o6-δ(sfm)，prba0.8ca0.2co2o5+δ(pbcc)。然而，这些钙钛矿电极的co2电还原性能相比传统ni基电极仍然不足，因此开发新型电极材料并提高其co2电解性能有利于soec的发展。文献ceram.int，10.1016/j.ceramint.2015.06.074报导了sr2tifeo6作为对称sofc的电极材料，在800℃表现出较高的电化学性能。文献electro acta，10.1016/j.electacta.2018.01.062和appl.catal.b:environ.，10.1016/j.apcatb.2020.118842报导了mo和co部分掺杂的sr2tifeo6进一步提高了sofc的电化学性能，并且在co2和h2o共电解过程中在800℃和1.3v下达到0.5acm-2的电流密度，但对于纯co2电还原的催化活性还没有系统的研究。因此，研究并评估sr2tifeo6基氧化物的直接co2电解性能是必要的。

技术实现思路

1、针对stf对称电池直接co2电解的催化活性较低问题，本发明提供一种固体氧化物电解池对称电极材料及其制备方法，提高了soec直接电解co2的电化学性能。此材料制备方法采用简单的固相合成法，通过m(m＝mg，cu，cr，mn)元素对stf在b位的掺杂，提高了结构稳定性和催化活性，有效增大了co2的电解电流密度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种固体氧化物电解池sr2tifeo6基钙钛矿型电极材料，材料化学式为sr2ti1-xfemxo6-δ，m＝mg，cu，cr或者mn，其中x为元素掺杂的含量，0≤x≤0.3；δ为材料中氧空位含量，6-δ为材料晶格中的氧含量。

4、上述的电极材料的制备方法，包括如下步骤：

5、按照化学计量比，称取一定量的srco3、tio2、fe2o3和mo，其中mo选自mgo，cuo，cr2o3或者mnco3；

6、将原料进行球磨后，进行煅烧处理，得到电极材料。

7、球磨过程采用醇类溶剂作为助剂，且粉末材料、球磨珠、醇类溶剂的重量比是1:1.8～2.2:2.8～3.2；球磨的时间为10～16h，球磨机的转速为200～300r/min。

8、煅烧温度为1100～1300℃，煅烧时间为10～20h。

9、煅烧过程中的程序升温速率为2～3℃/min，降温速率为8～12℃/min。

10、上述的电极材料在固态氧化物电解池中的应用。

11、所述的电解池用于电解co2。

12、所述的应用中，电极材料作为对称电池的燃料电池和空气电极。

13、电解质层材料采用la0.9sr0.1ga0.8mg0.2o3(lsgm)，电极阻挡层采用gd0.1ce0.9o2-δ(gdc)。

14、有益效果

15、1.本发明使用传统的固相法成功合成电极粉末，且没有杂相生成，步骤简单，能够量产。

16、2.本发明制备的电极材料在电解环境下，即co2和co气氛下，具有优异的氧化还原稳定性，此外，sr2ti1-xfemxo6-δ与gdc和lsgm具有良好的兼容性。

17、3.本发明制备的基于电极sr2ti1-xfemxo6-δ(m＝mg，cu，cr，mn)的对称电池中，sr2ti1-xfemgxo6-δ在650～800℃下在空气和co2气氛中的极化阻抗最小。

18、4.本发明制备的基于电极sr2ti1-xfemxo6-δ(m＝mg，cu，cr，mn)的对称电池中，sr2ti1-xfemgxo6-δ在800℃和1.4v下直接co2电解的电解电流密度最大，达到0.5～0.7a cm-2。

19、5.本发明制备的单电池在长期稳定性测试中几乎没有电流密度的衰减，且电极与电解质匹配良好，没有观察到分层现象。

技术特征：

1.一种固体氧化物电解池sr2tifeo6基钙钛矿型电极材料，其特征在于，材料化学式为sr2ti1-xfemxo6-δ，m＝mg，cu，cr或者mn，其中x为元素掺杂的含量，0≤x≤0.3；δ为材料中氧空位含量，6-δ为材料晶格中的氧含量。

2.权利要求1所述的电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，球磨过程采用醇类溶剂作为助剂，且粉末材料、球磨珠、醇类溶剂的重量比是1:1.8～2.2:2.8～3.2；球磨的时间为10～16h，球磨机的转速为200～300r/min。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，煅烧温度为1100～1300℃，煅烧时间为10～20h。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，煅烧过程中的程序升温速率为2～3℃/min，降温速率为8～12℃/min。

6.权利要求1所述的电极材料在固态氧化物电解池中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的电解池用于电解co2。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，电极材料作为对称电池的燃料电池和空气电极。

9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，电解质层材料采用la0.9sr0.1ga0.8mg0.2o3(lsgm)，电极阻挡层采用gd0.1ce0.9o2-δ(gdc)。

技术总结本发明公开一种Sr<subgt;2</subgt;TiFeO<subgt;6</subgt;基钙钛矿对称电极材料制备方法及其在固体氧化物电解池中的应用。以MO(MO＝MgO，CuO，Cr<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;，MnCO<subgt;3</subgt;)为B位掺杂剂，采用传统固相法合成Sr<subgt;2</subgt;Ti<subgt;1‑x</subgt;FeM<subgt;x</subgt;O<subgt;6‑δ</subgt;(M＝Mg，Cu，Cr，Mn；0≤x≤0.3)对称电极材料，其中x为M元素掺杂的含量。合成材料使用的元素储量丰富，价格便宜，且制备操作简单，有利于大规模运用。本发明制备的Sr<subgt;2</subgt;Ti<subgt;1‑x</subgt;FeM<subgt;x</subgt;O<subgt;6‑δ</subgt;材料在CO<subgt;2</subgt;电解环境下具有优异的化学稳定性以及良好的催化活性和电化学性能。与Sr<subgt;2</subgt;TiFeO<subgt;6</subgt;相比，Sr<subgt;2</subgt;Ti<subgt;1‑x</subgt;FeM<subgt;x</subgt;O<subgt;6‑δ</subgt;对称电池的极化阻抗减小，电流密度增大，获得了更高的CO<subgt;2</subgt;电解效率，适用于固体氧化物电解池对称电极的制备。技术研发人员：郑益锋,钱斌受保护的技术使用者：南京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/5/8