一種具有擇優(yōu)取向的摻雜氧化鈰催化薄膜及其制備和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及固體氧化物燃料電池領(lǐng)域，具體說是一種具有擇優(yōu)暴露晶面的摻雜氧化鈰薄膜電極材料的制備及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]固體氧化物燃料電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，能夠高效的將燃料氣(如氫氣、天然氣、煤氣等)中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能和熱能，且不需要貴金屬催化劑，采用全固態(tài)結(jié)構(gòu)，低排放低噪音，是理想的分散電站和集中電站技術(shù)，也可以應(yīng)用于車輛輔助電源、便攜式電源坐寸ο
[0003]為了降低制造成本，提高電池長期穩(wěn)定性和可靠性，縮短啟動(dòng)時(shí)間，運(yùn)行溫度在400-700°C的中低溫固體氧化物燃料電池成為國內(nèi)外研發(fā)的重點(diǎn)。氧化鈰基薄膜可以作為陰極或者陽極，用于運(yùn)行溫度在400-800°C范圍之內(nèi)的固體氧化物燃料電池。
[0004]摻雜氧化鈰材料具有對(duì)氧氣、對(duì)H2或者CH4等燃料氣的電催化作用，采用擇優(yōu)取向的摻雜氧化鈰材料薄膜可以對(duì)電池陰極的氧氣還原過程、對(duì)h2、CH4等燃料氣的氧化過程起到催化作用，加快陰極對(duì)氧氣的電還原過程，或者陽極對(duì)燃料氣的電氧化過程，減小電池的陰極或陽極極化電阻，從而提高電池的性能。
[0005]由于傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)方法無法制備出具有擇優(yōu)取向的摻雜氧化鈰薄膜，因此，有必要采用物理氣相沉積技術(shù)制備摻雜氧化鈰薄膜。在物理氣相沉積技術(shù)中磁控濺射技術(shù)能夠在大面積基底上制備出均勻致密的氧化鈰薄膜，且工藝重復(fù)性良好，適用于規(guī)?；苽洌虼?，磁控濺射的技術(shù)適合于制備具有擇優(yōu)取向的摻雜氧化鈰薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了提高電池的性能，改善固體氧化物燃料電池的電催化性能，本發(fā)明的目的在于提供一種具有擇優(yōu)取向的摻雜氧化鈰催化薄膜，能夠有效的提高陰極或者陽極的電催化性能，降低電池的極化電阻，提高電池性能。
[0007]該電解質(zhì)薄膜用于固體氧化物燃料電池中時(shí)，與氧化鋯基或氧化鈰基電解質(zhì)基底結(jié)合良好，均勻致密，且薄膜晶體為擇優(yōu)暴露(111) (110)或(100)晶面。
[0008]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0009]在陽極支撐的陽極/氧化鋯基電解質(zhì)或陽極/氧化鈰基電解質(zhì)膜電極基底，或者在陰極支撐的陰極/氧化鋯基電解質(zhì)薄膜、陰極/氧化鈰基電解質(zhì)薄膜上磁控濺射沉積具有擇優(yōu)取向的摻雜氧化鈰催化薄膜。
[0010]所述摻雜氧化鋪電極材料為LnxCehCVd, Ln 為 Pr、Nd、Eu、Tb、Dy、Er、Yb、T1、Zr、Sn、Cu、Zn、Co、Nb 中的一種，O 彡 x 彡 0.5 ;0 彡 d 彡 0.2 ;或者為 LnxByCei_x_y02_d，其中 Ln為 Pr、Nd、Eu、Tb、Dy、Er、Yb、T1、Zr、Sn、Cu、Zn、Co、Nb 中的一種，B 為 Pr、Nd、Eu、Tb、Dy、Er、Yb、T1、Zr、Sn、Cu、Zn、Co、Nb、La、Sm、Gd、Y、Mn 中的一種，O ^ x ^ 0.3 ；0 ^ y ^ 0.2 ；O < d < 0.2。所述摻雜氧化鈰電極總厚度在I納米-8微米之間，最好為6納米-5微米之間；氧化鈰基電極催化薄膜均采用磁控反應(yīng)濺射的方法制備；磁控濺射所用靶材為相應(yīng)比例組分的鈰基合金靶材。
[0011]所用氣體為氧氣與氬氣，純度都在99.99%之上。
[0012]首先在陽極支撐的陽極/氧化鋯基電解質(zhì)，陽極/氧化鈰基電解質(zhì)膜電極基底上，或者陰極支撐的陰極/氧化鋯基電解質(zhì)薄膜、陰極/氧化鈰基電解質(zhì)膜電極基底上磁控反應(yīng)濺射具有擇優(yōu)取向的摻雜氧化鈰催化薄膜，其濺射參數(shù)為:靶基距為5-9cm，基片臺(tái)的轉(zhuǎn)速在1-20圈/分鐘，濺射氣壓為0.1Pa-l.5Pa，濺射功率密度P=3-12W/cm2，氧氣流量與氬氣流量之比為1/2-1/20，濺射基底溫度在30-800°C，通過控制濺射參數(shù)的改變可以實(shí)現(xiàn)摻雜氧化鈰薄膜擇優(yōu)暴露(111)、( 110 )、或(100 )晶面。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)良效果在于:
[0014]通過在陽極支撐的陽極/氧化鋯基電解質(zhì)或陽極/氧化鈰基電解質(zhì)膜電極基底上，陰極支撐的陰極/氧化鋯基電解質(zhì)薄膜、陰極/氧化鈰基電解質(zhì)薄膜膜電極基底上磁控反應(yīng)濺射具有擇優(yōu)取向的摻雜氧化鈰催化薄膜，改善了電池陰極對(duì)氧氣的電催化還原性能，或者陽極對(duì)h2、CH4等燃料氣的電催化氧化能力，降低了電池的極化電阻，提高了電池性倉泛。
[0015]1.采用本發(fā)明制備的固體氧化物燃料電池，摻雜的氧化鈰作為陰極材料，有效改善了陰極對(duì)氧氣的電催化性能，降低了電池的陰極極化電阻。
[0016]2.采用本發(fā)明制備的固體氧化物燃料電池，摻雜的氧化鈰作為陽極材料，有效改善了陽極對(duì)燃料氣的電催化氧化性能，降低了電池的陽極極化電阻。
[0017]3.本發(fā)明可用于平板型、管型等多種構(gòu)型的固體氧化物燃料電池。
[0018]4.本發(fā)明適用于多種中溫、低溫固體氧化物燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域，如分散電站、便攜式電源、車載輔助電源。
【具體實(shí)施方式】
[0019]實(shí)施例1
[0020]在氧化鎳與Y2O3穩(wěn)定的ZrO2復(fù)合陽極/Y2O3穩(wěn)定的ZrO2膜電極(N1-YSZ/YSZ)上濺射晶面擇優(yōu)取向?yàn)?100)的致密Zr2O3摻雜的CeO2 (Zra2Cea8Oh9)薄膜，依次用丙酮、乙醇、蒸餾水超聲清洗陽極支撐的膜電極且干燥之后，把其放入磁控濺射儀的真空腔室之內(nèi)，調(diào)節(jié)靶基距為約6cm，以鈰/釓合金材料為靶材，靶材純度在99.99%之上，鈰/鋯摩爾比為8/2，抽真空至8*10_4Pa，然后進(jìn)行基片臺(tái)加熱，升溫穩(wěn)定至300°C，通入氬氣流量為10.0sccm,氧氣流量為1.2sccm,濺射功率為9W/cm2，濺射氣壓為0.5Pa,基片臺(tái)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為5圈/分鐘，厚度約為500nm，在完成Zra2Cea8C^9薄膜的濺射之后，在其上涂覆銀漿，在四端子法電池測試裝置上進(jìn)行電池性能測試，以空氣為陰極氣，濕氫氣為陽極氣，電池在700°C的運(yùn)行溫度下，電池最大功率密度可以達(dá)到1.6W/cm2，在0.8V的定電壓之下電池性能可以達(dá)到1.41mff/cm2 ;在550°C的運(yùn)行溫度下，電池最大功率密度可以達(dá)到830mW/cm2，在
0.8V的定電壓之下電池性能可以達(dá)到690mW/cm2 ;有效提高了電池的中、低溫性能，且在電池運(yùn)行200小時(shí)之后功率沒有明顯衰減。
[0021]實(shí)施例2
[0022]在氧化鎳與Gd2O3摻雜的CeO2復(fù)合陽極/Gd2O3摻雜的CeO2膜電極(N1-GDC/⑶C)上濺射晶面擇優(yōu)取向?yàn)?100)的致密SnO2摻雜的CeO2 (SnaiCea9O2)薄膜，調(diào)節(jié)靶基距為約6cm，以鈰/釓合金材料為靶材，靶材純度在99.99%之上，鈰/錫摩爾比為9/1，抽真空至8*10_4Pa，然后進(jìn)行基片臺(tái)加熱，升溫穩(wěn)定至400°C，通入氬氣流量為10.0sccm，氧氣流量為
1.2SCCm，濺射功率為9W/cm2，濺射氣壓為0.5Pa,基片臺(tái)