镍基固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料及制备方法和应用与流程

本技术属于固体氧化物电池，尤其涉及镍基固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料及制备方法和应用。

背景技术：

1、除了常规的电解水制氢之外，固体氧化物燃料电池逆向运行电解模式(soec)也可在高温下电解水产生氢气，固体氧化物燃料电池电解水具有过电位低、功耗低的优点，电解效率更高；固体氧化物燃料电池电解水的过程中阳极氧化会消耗较多的电能，研究发现将甲烷等碳氢化合物燃料以化学能的形式供给，可以提供水电解所需的部分能量，可以减少功率输入。

2、然而甲烷(ch4)是结构稳定的碳氢化合物，键能高、活化困难；因此，在固体氧化物燃料电池的阳极中可使用贵金属催化剂和和镍等金属氧化物催化剂进行甲烷催化氧化来降低阳极过电位；但除了使用催化剂对甲烷(ch4)进行催化氧化之外，soec还要求阳极材料表现出良好的o2-导电性，以确保阴极中的o2-转移到阳极中的氧化活性位点，在常见的氧离子导体中，ceo2基材料具有高的储氧能力和氧离子传导能力，然而，ceo2基材料在高温下容易发生晶格缺陷，导致氧空位和氧通道的损失，因此，目前的固体氧化物燃料电池阳极材料电解性能较低，难以满足通入甲烷等碳氢化合物燃料时，固体氧化物燃料电池逆向运行电解模式的要求。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供了镍基固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料及制备方法和应用，用于解决现有技术中通入甲烷等碳氢化合物燃料时，固体氧化物燃料电池阳极材料电解性能较低的技术问题。

2、本技术第一方面提供了镍基固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料，其化学结构式为：ni/ce0.8zr0.2o2。

3、优选的，所述镍基固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料中，ni的掺杂量为5wt％。

4、本技术第二方面提供了一种镍基高温固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料的制备方法，为第一方面所述镍基固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料的第一种制备方法，制备方法包括步骤：

5、步骤s1、将铈盐、锆盐加入去离子水中搅拌，得到ce0.8zr0.2o2载体溶液；

6、步骤s2、将镍盐加入到ce0.8zr0.2o2载体溶液中搅拌均匀，得到ni/ce0.8zr0.2o溶液；

7、步骤s3、将碳酸铵溶液加入到ni/ce0.8zr0.2o溶液中加热搅拌至脱水，得到ni/ce0.8zr0.2o固态凝胶；

8、步骤s4、将ni/ce0.8zr0.2o固态凝胶依次进行干燥、煅烧，得到ni/ce0.8zr0.2o阳极催化剂材料。

9、优选的，步骤s2中，所述ce0.8zr0.2o2载体溶液中ce0.8zr0.2o2和所述镍盐中ni的质量比为1:0.02～0.1。

10、优选的，步骤s1中，所述铈盐选自ce(no3)3·6h2o，锆盐选自zr(no3)4·5h2o；

11、步骤s2中，镍盐选自ni(no3)2·6h2o。

12、优选的，步骤s1中，所述搅拌的温度为70～90℃，时间为2～6h；

13、步骤s3中，加热搅拌的温度为70～100℃；

14、步骤s4中，所述干燥的温度为80～120℃，时间为8～16h，煅烧的温度为400～600℃，时间为4～6h。

15、优选的，步骤s1中，所述ce(no3)3·6h2o的加入量为6g，所述zr(no3)4·5h2o的加入量为1.4831g；

16、步骤s3中，所述碳酸铵溶液的浓度为1～3mol/l，加入量为80～120ml。

17、本技术第三方面提供了一种镍基高温固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料的制备方法，为第一方面所述镍基固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料的第二种制备方法，制备方法包括步骤：

18、步骤s1、将铈盐、锆盐溶解在去离子水中，加入碳酸铵溶液后加热搅拌至脱水，得到ce0.8zr0.2o固态凝胶；

19、步骤s2、将ce0.8zr0.2o固态凝胶依次进行干燥、煅烧，得到ce0.8zr0.2o载体材料；

20、步骤s3、将ce0.8zr0.2o载体材料加入到镍盐溶液中浸渍，得到ni/ce0.8zr0.2o前驱体；

21、步骤s4、将ni/ce0.8zr0.2o前驱体依次进行干燥、煅烧，得到ni/ce0.8zr0.2o阳极催化剂材料。

22、优选的，步骤s3中，所述ce0.8zr0.2o载体材料中ce0.8zr0.2o2和所述镍盐溶液中ni的质量比为1:0.02～0.1。

23、优选的，步骤s1中，所述铈盐选自ce(no3)3·6h2o，锆盐选自zr(no3)4·5h2o，步骤s3中，镍盐选自ni(no3)2·6h2o。

24、优选的，步骤s1中，加热搅拌的温度为70～100℃；

25、步骤s2和步骤s4中，所述干燥的温度为80～120℃，时间为8～16h，煅烧的温度为400～600℃，时间为4～6h。

26、优选的，步骤s1中，所述ce(no3)3·6h2o的加入量为6g，所述zr(no3)4·5h2o的加入量为1.4831g，所述碳酸铵溶液的浓度为1～3mol/l，加入量为80～120ml。

27、本技术第四方面提供了一种镍基高温固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料的制备方法，为第一方面所述镍基固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料的第三种制备方法，制备方法包括步骤：

28、步骤s1、将铈盐、锆盐加入去离子水中搅拌，得到ce0.8zr0.2o2载体溶液；

29、步骤s2、将镍盐加入到ce0.8zr0.2o2载体溶液中搅拌均匀，得到ni/ce0.8zr0.2o溶液；

30、步骤s3、将柠檬酸加入到ni/ce0.8zr0.2o溶液中加热搅拌至脱水，得到ni/ce0.8zr0.2o固态凝胶；

31、步骤s4、将ni/ce0.8zr0.2o固态凝胶依次进行干燥、煅烧，得到ni/ce0.8zr0.2o阳极催化剂材料。

32、优选的，步骤s3中，所述ce0.8zr0.2o2载体溶液中ce0.8zr0.2o2和所述镍盐中ni的质量比为1:0.02～0.1。

33、优选的，步骤s1中，所述铈盐选自ce(no3)3·6h2o，锆盐选自zr(no3)4·5h2o。

34、步骤s2中，镍盐选自ni(no3)2·6h2o。

35、优选的，步骤s3中，加热搅拌的温度为70～100℃；

36、步骤s4中，所述干燥的温度为80～120℃，时间为8～16h，煅烧的温度为400～600℃，时间为4～6h。

37、优选的，步骤s1中，所述ce(no3)3·6h2o的加入量为6g，所述zr(no3)4·5h2o的加入量为1.4831g，步骤s3中，所述柠檬酸和所述ce0.8zr0.2o2载体溶液中金属离子总摩尔数的摩尔比为1.5～2.5：1。

38、本技术第五方面提供了一种镍基高温固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料的制备方法，为第一方面所述镍基固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料的第四种制备方法，制备方法包括步骤：

39、步骤s1、将铈盐、锆盐溶解在去离子水中，加入柠檬酸后加热搅拌至脱水，得到ce0.8zr0.2o固态凝胶；

40、步骤s2、将ce0.8zr0.2o固态凝胶依次进行干燥、煅烧，得到ce0.8zr0.2o载体材料；

41、步骤s3、将ce0.8zr0.2o载体材料加入到镍盐浸渍溶液中浸渍，得到ni/ce0.8zr0.2o前驱体；

42、步骤s4、将ni/ce0.8zr0.2o前驱体依次进行干燥、煅烧，得到ni/ce0.8zr0.2o阳极催化剂材料。

43、优选的，步骤s3中，所述ce0.8zr0.2o载体材料中ce0.8zr0.2o2和所述镍盐溶液中ni的质量比为1:0.02～0.1。

44、优选的，步骤s1中，所述铈盐选自ce(no3)3·6h2o，锆盐选自zr(no3)4·5h2o；

45、步骤s2中，镍盐选自ni(no3)2·6h2o。

46、优选的，步骤s1中，所述加热搅拌的温度为70～100℃。

47、步骤s2和步骤s4中，所述干燥的温度为80～120℃，时间为8～16h，煅烧的温度为400～600℃，时间为4～6h。

48、优选的，步骤s1中，所述ce(no3)3·6h2o的加入量为6g，所述zr(no3)4·5h2o的加入量为1.4831g，柠檬酸和所述ce0.8zr0.2o2载体溶液中金属离子总摩尔数的摩尔比为1.5～2.5：1。

49、本技术第六方面提供了第一方面所述镍基固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料在制备固体氧化物燃料电池中的应用。

50、优选的，所述应用具体包括：将含有第一方面所述制备方法制备得到的高温固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料的阳极浆料印刷到固体氧化物燃料电池的阳极侧，高温煅烧得到固体氧化物燃料电池的阳极；

51、所述高温煅烧的温度为850～1200℃，时间为3h。

52、综上所述，本技术提供了一种镍基固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料及制备方法和应用，本技术提供的镍基固体氧化物燃料电池阳极催化剂材料使用活性金属镍作为甲烷催化氧化的催化剂，ceo2作为氧离子导体，ceo2一方面在缺氧或还原条件下，表面部分ce4+被还原为ce3+，并产生氧空位，从而提高了其高温稳定性，并且还使用zr的掺杂可以增加氧空位的含量，从而提高了ceo2晶体结构的高温稳定性，这使得本技术提供的镍基高温固体氧化物燃料电池阳极材料具有较好的催化氧化性能和氧离子传导能力，可以降低固体氧化物燃料电池逆向运行电解模式时soec电解电压，从而解决了现有技术中通入甲烷等碳氢化合物燃料时，固体氧化物燃料电池阳极材料电解性能较低的技术问题。