CN108360010B - 一种固体氧化物电解电池电极催化涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种固体氧化物电解电池电极催化涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)准备纳米催化剂颗粒悬浮液；(2)将步骤(1)的悬浮液加在多孔电极表面，利用毛细管力将悬浮液均匀地加载在多孔电极中；(3)蒸发溶剂，催化剂纳米颗粒即可均匀地涂覆在电极骨架表面。本发明实施例示例的制备方法使用分散的催化剂纳米颗粒代替常规的金属盐前驱物来制备电极催化剂涂层，从而提高了电极催化剂层制备效率和催化剂的分散性，本发明的方法制备的电池电极，进行CO2电解，电解电池运行了220小时，除了10小时内的电池正常衰减，电池电解性能趋于稳定，是首次报道电池性能在10个小时内达到了稳定。
Description
技术领域
本发明涉及固体氧化物电解电池电极催化剂制备的技术领域，尤其涉及一种固体氧化物电解电池电极催化涂层的制备方法。
背景技术
利用可再生能源，通过固体氧化物电解电池在高温下电解水、CO2或NOx等，实现可再生能源的存储、利用或减少环境污染。相对于低温电解过程，高温电解需要较少的电能，可以利用工业余热，从而具有较高的能量效率。催化剂在阴极表面电解还原这些气体反应中起到重要作用：减少电解能耗，提高电解稳定性。现在采用浸渍催化剂金属离子前驱物的方法，然后经过热处理将金属离子转变成金属或金属氧化物催化剂。为了防止催化剂在制备过程中团聚，采用少量多次的方法，增加了催化剂制备工序和成本。
现在在多孔电极表面制备纳米催化剂使用金属盐作为催化剂的前驱物，经过热处理将该前驱物转化为催化剂颗粒。在热处理的过程中，容易造成新生成的催化剂颗粒团聚。常采用减少每次浸渍加载量和多次浸渍制备法(少量多次)来减少团聚。这样延长了催化剂制备时间，增加了制备工序和成本。因此，使用金属盐作为催化剂的前驱物和利用在位生产的纳米颗粒作为催化剂造成了催化剂的团聚和制备工序的复杂性和高成本。
固体氧化物电解电池可以利用可再生能源来生产燃料或分解环境污染物。在欧美，该技术已被用来生产氢气或合成气，来摆脱对化石能源的依赖。电解电池的电极性能及其稳定性很大程度上决定了该技术的产业化。常规使用金属盐作为催化剂的前驱物和热处理形成催化剂的方法限制了对电极性能及其稳定性的改进，需要一种新的催化剂制备方法来达到制备高性能和高稳定性的电极。
发明内容
基于上述现有技术，本发明的目的在于提供一种固体氧化物电解电池电极催化涂层的制备方法，解决现有技术中固体氧化物电解电池的电极催化剂制备方法容易造成催化剂颗粒团聚，需要使用少量多次的重复浸渍法来减少团聚，增加了制备成本、延长了制备时间。
第一方面，本申请实施例提供了一种固体氧化物电解电池电极催化涂层的制备方法，包括以下步骤：(1)准备纳米催化剂颗粒悬浮液；(2)将步骤(1)的悬浮液加在多孔电极表面，利用毛细管力将悬浮液均匀地加载在多孔电极中；(3)蒸发溶剂，催化剂纳米颗粒即可均匀地涂覆在电极骨架表面。
优选的：所述步骤(2)中将所述悬浮液滴在多孔电极表面。
优选的：所述步骤(1)中纳米催化剂颗粒的粒径为5-100nm。
优选的：所述步骤(1)中的纳米催化剂颗粒悬浮液可以选自商业催化剂纳米颗粒悬浮液或将纳米催化剂颗粒分散在液体中，所述液体可以为水、醇等本领域技术人员可以想到的分散催化剂纳米颗粒的液体。
优选的:所述步骤(2)借助于真空进行。
优选的：所述步骤(2)中通过控制纳米催化剂颗粒含量来控制加载量和加载效率，在催化剂含量0-50％内，催化剂颗粒加载量和加载效率随其含量的增加而提高。
第二方面，本申请实施例提供了一种固体氧化物电解电池电极，包括上述任一所述的固体氧化物电解电池电极催化涂层的制备方法制备得到的催化涂层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、现有技术中固体氧化物电解电池催化剂的制备都是采用浸渍的方法，并且存在固体氧化物电解电池催化剂制备过程中团聚的问题，目前都是通过对浸渍次数和浸渍液的浓度上进行改进，改进的效果不明显，而本发明从方法的根本上解决这一问题，克服技术偏见，原料上的改变由现有技术的金属盐溶液改进为纳米催化剂颗粒悬浮液，避免了金属盐溶液加热氧化过程中的团聚问题，并且将原来的浸渍制备方法改进为涂覆的方式，利用毛细管力和借助于真空将纳米催化剂颗粒均匀的加载在多孔电极中，使电极的表面附着一层均匀的催化剂层，本发明实施例示例的方法，还可以通过控制纳米催化剂颗粒含量来控制加载量和加载效率，在催化剂含量0-50％内，催化剂颗粒加载量和加载效率随其含量的增加而提高，解决了现有技术中由于催化剂金属盐在溶剂中的量受溶解度和溶液粘度的限制，所以很难实现对催化剂的加载量控制的问题。
2、使用本发明固体氧化物电解电池电极催化涂层的制备方法制备得到的电池电极，进行CO2电解，电解电池运行了220小时，除了10小时内的电池正常衰减，电池电解性能趋于稳定，首次报道电池性能在10个小时内达到了稳定。
附图说明
图1为本发明实施例示例的固体氧化物电解电池电极催化涂层的制备方法制备得到的固体氧化物电解电池电极电解CO2时,在电解电流0.5A/cm2下，电解电压随时间的变化图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本申请实施例提供了一种固体氧化物电解电池电极催化涂层的制备方法，包括以下步骤：
使用商业催化剂纳米颗粒悬浮液或将纳米催化剂颗粒分散在水、醇等液体中，将上述含有催化剂纳米颗粒的液体加到多孔电极的表面，优选的，以滴加的方式加入，可以重复多次滴加，以增加催化剂纳米颗粒的加载量，利用毛细管力将催化剂纳米颗粒悬浮液加载在多孔电极中，并借助于真空排除气泡，提高加载效果；然后将溶剂在沸点温度之上蒸发，催化剂纳米颗粒即可均匀地涂覆在电极骨架表面，催化剂的加载量和加载效率可以利用溶液中的固含量来控制，在催化剂含量0-50％内，催化剂颗粒加载量和加载效率随其含量的增加而提高。由于催化剂金属盐在溶剂中的量受溶解度和溶液粘度的限制，对催化剂的加载量控制有限。
本申请提供了一种全新的固体氧化物电解电池电极催化剂的制备方法，通过这种新的方法解决了固体氧化物电解电池催化剂制备领域内一种渴望解决但是没有有效的解决方案的技术难题：现有的电极催化剂制备方法容易造成催化剂颗粒团聚，需要使用少量多次的重复浸渍法来减少团聚，增加了制备成本和延长制备时间。本发明的发明人在研究中克服了现有技术中要解决催化剂颗粒在制备中容易出现团聚的问题从平衡金属盐溶液的浓度和浸渍次数的角度解决问题的技术偏见，采用了在该领域中从未使用过的方法，既解决了催化剂颗粒团聚的问题，又实现了可以通过调节催化剂的含量来实现控制催化剂的加载量和加载效率的问题。
将本申请实施例制备的固体氧化物电解电池，进行CO2电解，电极骨架材料是NiO/YSZ(Y稳定的ZrO2),催化剂悬浮液是CeO2(10-20nm)分散在乙酸中，电解CO2是在5％H2/CO2和电解电流0.5A/cm2下，电解电池运行了220小时，除了10小时内的电池正常衰减，电池电解性能趋于稳定，是首次报道电池性能在10个小时内达到了稳定，如图1所示。
本申请实施例的制备方法使用分散的催化剂纳米颗粒代替常规的金属盐前驱物来制备电极催化剂涂层，从而提高电极催化剂层制备效率和催化剂的分散性。
优选的：所述催化剂纳米颗粒的粒径为5-100nm。
优选的：所述溶剂蒸发的方式为干燥，所述干燥的条件是根据所使用的溶剂，将在溶剂的沸点之上蒸发。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (6)
1.一种固体氧化物电解电池电极催化涂层的制备方法，其特征是：包括以下步骤：(1)准备纳米催化剂颗粒悬浮液；(2)将步骤(1)的悬浮液加在多孔电极表面，利用毛细管力将悬浮液均匀地加载在多孔电极中；(3)蒸发溶剂，催化剂纳米颗粒即可均匀地涂覆在电极骨架表面，
通过控制纳米催化剂颗粒含量来控制加载量和加载效率，在催化剂含量0-50％内，催化剂颗粒加载量和加载效率随其含量的增加而提高。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中纳米催化剂颗粒的粒径为5-100nm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中的纳米催化剂颗粒悬浮液是将纳米催化剂颗粒分散在液体中制得。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述步骤(2)中将所述悬浮液滴在多孔电极表面。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征是：所述步骤(2)借助于真空进行。
6.一种固体氧化物电解电池电极，其特征是：包括权利要求1-5任一所述的固体氧化物电解电池电极催化涂层的制备方法制备得到的催化涂层。
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