一种固体氧化物电解池的阳极及其制备方法和应用

本发明涉及固体氧化物电解池领域，具体涉及一种固体氧化物电解池的阳极及其制备方法和应用。

背景技术：

1、固体氧化物电解池是一种高效、环保的电化学能量转换装置，能够利用电能和热能将水蒸气或二氧化碳高效转化为氢气或合成气。其中，阳极（氧电极或空气电极）是发生氧析出反应的关键场所，其性能直接影响整个电池的效率和稳定性。

2、理想的soec阳极材料需要同时具备以下特性：（1）高氧离子传导率，以促进氧物种的体相传输；（2）高电子电导率，以高效收集和传导电流；（3）优异的氧析出反应催化活性，以降低反应过电位。然而，目前常用的钙钛矿型阳极材料（如lscf、lsm等）难以同时兼顾上述所有性能。例如，部分材料具有较高的离子-电子混合导电性，但催化活性不足；而一些高催化活性材料又往往存在电子电导率低或长期运行下结构稳定性差（如表面元素偏析）等问题。

3、因此，开发一种能够协同优化离子传导、电子传导和表面催化活性，且结构稳定的新型阳极结构，对于提升soec的整体性能与寿命具有重要意义。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于固体氧化物电解池的高性能阳极及其制备方法。该阳极通过巧妙的材料与结构设计，将离子传导、电子传导和催化活性功能分离并优化集成，从而显著提升了电解性能与运行稳定性。

2、本发明第一方面提供一种固体氧化物电解池的阳极，包括由材料a构成的多孔骨架，以及担载于所述多孔骨架外表面的复合功能层；所述复合功能层包含材料b和材料c，所述材料b为钙钛矿氧化物la1-xsrxmo3-δ，m为co、fe、mn、ni、zn、ti、cu、cr中一种或几种，0＜δ＜0.5，0＜x≤0.8，所述材料c为pt、ag、au、pd或其氧化物中一种或几种。

3、进一步地，所述材料b质量为材料a质量的90%~120%；

4、所述材料c质量为材料a质量的1%~10%。

5、进一步地，所述材料a为掺杂的氧化铈，其在700℃的氧离子传导率达到0.1s/cm及以上；所述掺杂的氧化铈包括钆掺杂氧化铈、钐掺杂氧化铈、镧掺杂氧化铈、镨掺杂氧化铈。

6、进一步地，所述多孔骨架的颗粒尺寸为0.5~10 μm，优选为0.5~2 μm，孔隙率为30%~50%，优选为35%~45%；所述复合功能层的厚度为10~300nm，优选为10~50nm。

7、进一步地，所述材料b和材料c的平均粒径独立地为5~50 nm，两者相互交错形成连续网络，所述材料b和材料c以纳米颗粒或薄膜形式附着在多孔骨架外表面。

8、本发明第二方面提供一种上述的固体氧化物电解池的阳极的制备方法，包括以下步骤：

9、（1）将材料a与造孔剂、溶剂在球磨机中混合2~24小时，得到多孔骨架浆料，将多孔骨架浆料涂在电解质表面，烧结；

10、（2）根据材料b的元素组成，将各元素的硝酸盐溶解配制成混合溶液，加入络合剂，得到含有材料b前驱体的浸渍液；

11、（3）根据材料c的元素组成，将各元素的硝酸盐溶解，得到含有材料c前驱体的浸渍液；

12、（4）采用等体积浸渍方法，将含有材料b前驱体的浸渍液加入到步骤（1）得到的样品中，在800~1000℃烧结1~5小时，重复浸渍-烧结步骤n次（n≥0），直到材料b的质量占比达到预定目标值；

13、（5）采用等体积浸渍方法，将含有材料c前驱体的浸渍液加入到步骤（4）得到的样品中，在700~900℃烧结1~3小时，重复浸渍-烧结步骤m次（m≥0），直到材料c的质量占比达到预定目标值。

14、进一步地，步骤（1）中，所述烧结的温度为1100~1250℃，烧结的时间为2~10小时。

15、进一步地，步骤（2）中，所述混合溶液中，所有金属离子的总浓度为0.1~0.5m；

16、所述络合剂的摩尔量与所有金属离子总摩量之比为1：1~1.5：1，所述络合剂为柠檬酸、柠檬酸氨、edta、甘氨酸、尿素中一种或几种。

17、进一步地，步骤（3）中，所述含有材料c前驱体的浸渍液的浓度为0.1~0.5m。

18、本发明第三方面提供一种固体氧化物电解池，包含上述的制备方法制得的阳极。

19、本发明第四方面提供一种上述的固体氧化物电解池在水蒸气电解制氢或二氧化碳共电解中的应用。

20、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

21、（1）本发明提供的阳极由具有较高离子电导率的材料a构成多孔骨架，以及担载于多孔骨架外表面的具有较高电子导电率的材料b和具有较高氧析出催化活性的材料c构成的复合功能层组成，通过“内层多孔骨架负责离子传导，外表面复合功能层负责电子传导与催化”的设计，打破了单一材料性能局限，将离子、电子传输路径与催化反应场所在空间上得到优化耦合，显著降低了相应的极化损失。

22、（2）本发明通过浸渍法将材料b和材料c纳米颗粒直接沉积在多孔骨架的巨大外表面上，极大地扩展了电化学活性三相界面（tpb）的总长度，提升了反应活性位点数量。

23、（3）本发明采用高离子电导率、结构稳定的材料a作为多孔骨架，而纳米尺度的材料b、材料c通过浸渍负载，避免了高温共烧结可能引发的相反应或元素互扩散，界面更清晰稳定，有助于抑制长期运行下的性能衰减（如元素偏析）。

24、（4）本发明采用浸渍法工艺简单，可通过精确控制浸渍液成分、浓度和次数，灵活调节复合功能层的组成、厚度与微观结构，易于实现性能的定向优化和批量制备。

1.一种固体氧化物电解池的阳极，其特征在于，包括由材料a构成的多孔骨架，以及担载于所述多孔骨架外表面的复合功能层；所述复合功能层包含材料b和材料c，所述材料b为钙钛矿氧化物la1-xsrxmo3-δ，m为co、fe、mn、ni、zn、ti、cu、cr中一种或几种，0＜δ＜0.5，0＜x≤0.8，所述材料c为pt、ag、au、pd或其氧化物中一种或几种。

2.根据权利要求1所述的固体氧化物电解池的阳极，其特征在于，所述材料b质量为材料a质量的90%~120%；

3.根据权利要求1所述的固体氧化物电解池的阳极，其特征在于，所述材料a为掺杂的氧化铈，其在700℃的氧离子传导率达到0.1s/cm及以上；

4. 根据权利要求1所述的固体氧化物电解池的阳极，其特征在于，所述材料b和材料c的平均粒径独立地为5~50 nm，两者相互交错形成连续网络。

5.一种权利要求1-4任一所述的固体氧化物电解池的阳极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述烧结的温度为1100~1250℃，烧结的时间为2~10小时。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述混合溶液中，所有金属离子的总浓度为0.1~0.5m；

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述含有材料c前驱体的浸渍液的浓度为0.1~0.5m。

9.一种固体氧化物电解池，其特征在于，包含如权利要求1-4任一所述的阳极或权利要求5-8任一项所述的制备方法制得的阳极。

10.一种权利要求9所述的固体氧化物电解池在水蒸气电解制氢或二氧化碳共电解中的应用。