一種利用高速混合-內(nèi)核爆破制備N(xiāo)i-BaO-GDC納米SOFC陽(yáng)極的方法
【專(zhuān)利摘要】一種利用高速混合-內(nèi)核爆破制備N(xiāo)i-BaO-GDC納米SOFC陽(yáng)極的方法，方法步驟為：(1)將納米鋇無(wú)機(jī)鹽、納米GDC與微米的金屬Ni在振實(shí)機(jī)中進(jìn)行高速混合以得到納米粒子包覆微米Ni的核殼結(jié)構(gòu)混合材料；(2)將高速混合后的材料在1100-1400℃進(jìn)行高溫煅燒0.5-4小時(shí)，以得到Ni-BaO-GDC納米SOFC陽(yáng)極。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：1、可實(shí)現(xiàn)低成本、連續(xù)、大批量生產(chǎn)；2、生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)廢水、廢氣排放，原料無(wú)腐蝕性、無(wú)毒性、無(wú)易燃易爆性；3、產(chǎn)品具有較高的分散性；4、制備的Ni-BaO-GDC陽(yáng)極晶粒尺寸為50-100nm，粒徑均勻，分散性好，抗積碳及電催化性能優(yōu)異，適用于碳?xì)浠衔镒鳛槿剂系腟OFC陽(yáng)極材料。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種利用高速混合-內(nèi)核爆破制備N(xiāo)1-BaO-GDC納米SOFC陽(yáng)極的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種N1-BaO-GDC納米SOFC陽(yáng)極的制作方法，尤其涉及一種利用高速混合-內(nèi)核爆破制備N(xiāo)1-BaO-GDC納米SOFC陽(yáng)極的方法。
技術(shù)背景
[0002]SOFC陽(yáng)極的性能在很大程度上取決于陽(yáng)極的微觀結(jié)構(gòu)，諸如金屬Ni及陶瓷顆粒的大小、分布及在陽(yáng)極中的分散等。納米粒子由于具有高的催化活性及大的比表面積，對(duì)于提高陽(yáng)極中金屬-陶瓷-氣體間的三相界面長(zhǎng)度從而提高電池的輸出功率具有重要的促進(jìn)作用。而通常的陽(yáng)極制備方法極易導(dǎo)致納米Ni顆粒的燒結(jié)團(tuán)聚，且如果采用NiO為原料時(shí)，NiO還原為金屬Ni時(shí)還易導(dǎo)致顆粒內(nèi)部孔洞收縮，這些是制約SOFC性能提高的主要因素。
[0003]由此可見(jiàn)，改善納米粒子特別是納米Ni粒子在SOFC陽(yáng)極中的燒結(jié)團(tuán)聚及在碳?xì)浠衔镒饔孟碌姆e碳特性，可以有效提升陽(yáng)極的燃料適應(yīng)性及電化學(xué)性能，從而提高固體氧化物燃料電池的壽命和實(shí)用性。
[0004]為了改進(jìn)SOFC陽(yáng)極的性能，有研究者利用濕化學(xué)方法合成Ni O基的納米陽(yáng)極材料，諸如溶膠-凝膠法(G.Muller, R.N.Vannier, A.Ringuede, etal，Nanocrystalline, mesoporous NiO/Ce0 9Gd0g thin films with tuned
microstructures and electrical properties:1n situ characterization ofelectrical responses during the reduction of NiOj Journal of MaterialsChemistry A，36 (2013) 10753-10761)、共沉淀法、燃燒合成法(M.B.Kakadej K.Bhattacharyyaj R.Tewari，et al, Nanocrystalline La084Sr0i 16Mn03 and NiO-YSZby combustion of metal nitrate-citric acid/glycine gel-phase evolutionand powder characteristics, Transactions of the Indian Ceramic Society, 72(2013) 182-190)、浸潰法(S.P.Jiang, Y.Y.Duanj J.G.Love, Fabrication ofhigh-performance Ni0/Y203_Zr02 cermet anodes of solid oxide fuel cells by ionimpregnation, Journal of the Electrochemical Society, 149 (2012) A1175-A1183)等。然而濕化學(xué)方法不可避免溶劑的蒸發(fā)過(guò)程，在制備過(guò)程中易導(dǎo)致納米粒子的團(tuán)聚，且制備過(guò)程比較繁瑣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種簡(jiǎn)單有效的制備N(xiāo)i基納米SOFC陽(yáng)極材料的方法，該方法制備的Ni基納米陽(yáng)極具有晶粒細(xì)小、粒徑均勻以及分散性好等特點(diǎn)，且避免了采用NiO為原料而導(dǎo)致的NiO還原為金屬Ni時(shí)顆粒內(nèi)部孔洞收縮的問(wèn)題。
[0006]本發(fā)明是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其特征是工藝方法步驟為:
(1)將粒徑分別為50-400nm的鋇無(wú)機(jī)鹽、50-300 nm的⑶C、1-5 μ m的金屬Ni分別進(jìn)行超聲波分散5-30 min ；
(2)將超聲波分散后的鋇無(wú)機(jī)鹽、⑶C及金屬Ni按10-20%: 10-20%: 60-80%的質(zhì)量比添加到混料機(jī)中攪拌15-30 min混合均勻；
(3)將混合均勻后的鋇無(wú)機(jī)鹽、⑶C及金屬Ni放入振實(shí)機(jī)中于2000-5000rpm的轉(zhuǎn)速下混合10-30 min ；
(4)將混合料在空氣中于1100-1400°C煅燒，升溫速率為5-20 °C/min，熱處理時(shí)間為 2-8 h0
[0007]本發(fā)明所述的混合料中金屬Ni與鋇無(wú)機(jī)鹽或⑶C的粒徑比大于等于10:1。
[0008]本發(fā)明所述的混合料是納米鋇無(wú)機(jī)鹽、⑶C包覆的金屬Ni核殼式結(jié)構(gòu)材料。
[0009]本發(fā)明通過(guò)小顆粒包覆大顆粒的方法得到核殼式結(jié)構(gòu)復(fù)合粒子，利用核位置材料的有限鈍化及核、殼材料熱膨脹系數(shù)的差異，使之在高溫下由于應(yīng)力發(fā)生內(nèi)核破碎，得到分散均勻的N1-BaO-GDC納米復(fù)合粒子，才能從根本上阻止Ni顆粒的團(tuán)聚及NiO還原成Ni時(shí)的內(nèi)部孔洞收縮問(wèn)題，從而大大提高SOFC的可靠性和使用壽命。本發(fā)明首次利用殼核BaO-GDCiNi結(jié)構(gòu)粒子的內(nèi)核爆破制備N(xiāo)1-BaO-GDC納米復(fù)合材料，避免了高溫時(shí)納米Ni顆粒間的燒結(jié)團(tuán)聚，及NiO作為初始原料的陽(yáng)極在運(yùn)行過(guò)程中NiO還原為金屬Ni時(shí)的表面孔洞收縮問(wèn)題。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)效果是:1、制備過(guò)程中無(wú)廢水、廢氣排放；2、阻止了 Ni顆粒間的燒結(jié)團(tuán)聚，克服了陽(yáng)極在運(yùn)行過(guò)程中NiO還原為金屬Ni時(shí)表面孔洞收縮的問(wèn)題；3、制備的N1-BaO-GDC陽(yáng)極晶粒尺寸為50-100 nm，粒徑均勻，分散性好，抗積碳及電催化性能優(yōu)異。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明采用高速混合處理后碳酸鋇、⑶C包覆金屬Ni的掃描電鏡照片。
[0012]圖2為本發(fā)明經(jīng)過(guò)高溫煅燒后N1-BaO-GDC陽(yáng)極的掃描電鏡照片。
[0013]圖3為本發(fā)明N1-BaO-GDC陽(yáng)極與N1-⑶C陽(yáng)極的抗積碳性能對(duì)比。
[0014]圖4為本發(fā)明N1-BaO-GDC陽(yáng)極與N1-⑶C陽(yáng)極的阻抗性能對(duì)比。
[0015]
【具體實(shí)施方式】
[0016]實(shí)施例1
(1)將粒徑為50nm的碳酸鋇、50 nm的⑶C、I u m的金屬Ni分別進(jìn)行超聲波分散30
min ；
(2)將超聲波分散后的碳酸鋇、⑶C及金屬Ni按1:1: 3的質(zhì)量比添加到混料機(jī)中攪拌30 min ；
(3)將混合均勻后的碳酸鋇、⑶C及金屬Ni放入振實(shí)機(jī)中于5000rpm的轉(zhuǎn)速下混合30 min，在剪切力與擠壓力的作用下，使得小顆粒的碳酸鋇、GDC包覆到大顆粒的金屬Ni表面形成殼核BaCO3-GDClgNi結(jié)構(gòu)粒子；
(4)將混合料在升溫速率為15°C/min的空氣中于1400 °C煅燒，保溫時(shí)間為2 h，利用核、殼材料熱膨脹系數(shù)的差異，使之在高溫下由于應(yīng)力發(fā)生內(nèi)核破碎，得到晶粒尺寸為50-100 nm的球狀晶粒。如圖1、2、3、4所示，圖1為采用高速混合處理后碳酸鋇、⑶C包覆金屬Ni的掃描電鏡照片；圖2為經(jīng)過(guò)高溫煅燒后N1-BaO-GDC陽(yáng)極的掃描電鏡照片；圖3為N1-BaO-GDC陽(yáng)極與N1-GDC陽(yáng)極的抗積碳性能對(duì)比；圖4為N1-BaO-GDC陽(yáng)極與N1-GDC陽(yáng)極的阻抗性能對(duì)比。說(shuō)明本發(fā)明粒徑均勻，分散性好，抗積碳及電催化性能優(yōu)異。
[0017]實(shí)施例2
(1)將粒徑為300nm的碳酸鋇、200 nm的⑶C、4 u m的金屬Ni分別進(jìn)行超聲波分散20 min ；
(2)將超聲波分散后的碳酸鋇、⑶C及金屬Ni按1:1: 8的質(zhì)量比添加到混料機(jī)中攪拌20 min ；
(3)將混合均勻后的碳酸鋇、⑶C及金屬Ni放入振實(shí)機(jī)中于3000rpm的轉(zhuǎn)速下混合20 min ；
(4)將混合料在升溫速率為13V /min的空氣中于1250 °C煅燒，保溫時(shí)間為1.5 h，得到晶粒尺寸為100-400 nm的球狀晶粒。
[0018]實(shí)施例3
(1)將粒徑為200nm的碳酸鋇、100 nm的⑶C、3 u m的金屬Ni分別進(jìn)行超聲波分散25 min ；
(2)將超聲波分散后的碳酸鋇、⑶C及金屬Ni按1.5: 1.5: 7的質(zhì)量比添加到混料機(jī)中攪拌20 min ；
(3)將混合均勻后的碳酸鋇、⑶C及金屬Ni放入振實(shí)機(jī)中于4000rpm的轉(zhuǎn)速下混合20 min ；
(4)將混合料在升溫速率為10°C/min的空氣中于1350 °C煅燒，保溫時(shí)間為I h，得到晶粒尺寸為50-300 nm的球狀晶粒。
【權(quán)利要求】
1.一種利用高速混合-內(nèi)核爆破制備N(xiāo)1-BaO-GDC納米SOFC陽(yáng)極的方法，其特征是工藝方法步驟如下: (1)將粒徑分別為50-400nm的鋇無(wú)機(jī)鹽、50-300 nm的⑶C、1-5 μ m的金屬Ni分別進(jìn)行超聲波分散5-30 min ； (2)將超聲波分散后的鋇無(wú)機(jī)鹽、⑶C及金屬Ni于一定的質(zhì)量比添加到混料機(jī)中攪拌15-30分鐘混合均勻； (3)將混合均勻后的鋇無(wú)機(jī)鹽、GDC及金屬Ni放入振實(shí)機(jī)中于一定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行高速混合； (4)將高速混合后的混合料置于空氣中煅燒，保溫一定時(shí)間后得到N1-BaO-GDC納米SOFC陽(yáng)極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用高速混合-內(nèi)核爆破制備N(xiāo)1-BaO-GDC納米SOFC陽(yáng)極的方法，其特征是鋇無(wú)機(jī)鹽、⑶C及金屬Ni的質(zhì)量百分比為10-20%: 10-20%: 60-80%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用高速混合-內(nèi)核爆破制備N(xiāo)1-BaO-GDC納米SOFC陽(yáng)極的方法，其特征是高速混合的轉(zhuǎn)速為2000-5000 rpm，混合時(shí)間為10-30 min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用高速混合-內(nèi)核爆破制備N(xiāo)1-BaO-GDC納米SOFC陽(yáng)極的方法，其特征是煅燒溫度為1100-1400 °C，升溫速率為5-20 °C/min，熱處理時(shí)間為2_8 h。
【文檔編號(hào)】B82Y40/00GK103567454SQ201310515615
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】李喜寶 申請(qǐng)人:南昌航空大學(xué)