SOFC抗硫、防积碳多级异质氧化物阳极结构设计与电化学行为研究

The most noteworthy advantage of SOFCs is the direct application of hydrocarbon as the fuel, and SOFCs can be easily integrated into currently available fossil fuel infrastructure to obtain an clean energy with less application cost. Howerver, the traditional Ni based anode will be poisoned by coke and sulfur when using hydrocarbon as the fuel. The oxide anodes exhibit a improved capacity for carbon and sulfur tolerance but have a low catalytic activity. The aim of this program is to development a novel hierarchical oxide anode structure to meet the requirement of high performance anode with carbon and sulfur tolerance. By synergistically controling the non-stoichiometry and doping element in perovskite oxide, a nano-micro coupled anode can be obtained with exsolution metal/alloy nanoparticles on the oxide surface under reduced condition at high temperature. Furthermore, a novel hierarchical oxide anode structure with nano-micro anode, hydrophilic nano alkaline earth metal oxide and electrolyte materials with high oxygen ionic conductivity can be constructed, improving the catalytic environment at the nano-micro anode surface and enhancing the oxygen ionic conductivity. Such a structure can expand the tripe phase boundary and increase the capacity for electrocatalytic activity, carbon and sulfur tolerance, and achieving a coupling of the direct oxidation reaction mechanism and water-mediated reaction mechanism by the catalytic synergistic effect. SOFC with this novel hierarchical oxide anode structure will have a high efficient conversion and stabilization output. This novel hierarchical oxide anode structure provides a new strategy for designing high performance SOFC anodes.

SOFC最引人注目的优势是能够使用碳氢化合物作为燃料，易于接入现有化石燃料系统从而获得清洁能源，降低了应用成本。然而，传统Ni基阳极在使用碳氢燃料时，易积碳、硫中毒。氧化物阳极虽然具有较好的抗硫、防积碳能力，但催化活性很低。本项目针对高活性、抗硫、防积碳阳极发展的需求，提出一种全新的多级异质氧化物阳极设计策略。通过对钙钛矿氧化物非化学计量比和掺杂元素的协同调控，实现高温还原气氛下纳米金属/合金催化剂在氧化物表面的溶出，形成微纳复合阳极，再与具有亲水性的纳米碱土金属氧化物、高氧离子导电性的电解质复合，改善微纳阳极表面催化环境并提高外部氧离子输运速度，构建多级异质氧化物阳极结构，拓展三相界面长度并提高电催化活性，提升抗硫、防积碳能力。通过协同催化效应，将直接氧化反应机制与水媒氧化反应机制耦合，实现SOFC对碳氢燃料的高效转化与稳定输出，为SOFC阳极材料的发展提供了新的思路和方法。

SOFC最引人注目的优势是能够使用碳氢化合物作为燃料，易于接入现有化石燃料系统从而获得清洁能源，降低了应用成本。然而，传统Ni基阳极在使用碳氢燃料时，易积碳、硫中毒。氧化物阳极虽然具有较好的抗硫、防积碳能力，但催化活性很低。.本项目针对高活性、抗硫、防积碳阳极发展的需求，提出一种全新的多级异质氧化物阳极设计策略，设计制备了 (La0.2Sr0.8)0.925Ti0.55Mn0.35X0.1O3-δ （LSTMX，X=Ni，Co，Fe，Sn）系列材料，通过对LSTMX钙钛矿氧化物的非化学计量比和掺杂元素的协同调控，在高温还原气氛下实现了Ni、Co、Fe纳米颗粒在LSTMX氧化物表面的溶出，形成微纳复合阳极结构。在此基础上，进一步与亲水性BaO和高氧离子导电性SDC电解质复合，改善了微纳阳极表面催化环境并提高外部氧离子输运速度，形成了多级异质氧化物阳极结构，拓展了三相界面长度并提高电催化活性。制备了(La0.2Sr0.8)0.925Ti0.55Mn0.35Ni0.1O3-δ-SDC-BaO复合阳极材料，通过高温原位还原形成了 Ni@LSTMN纳微复合阳极；以甲烷为燃料，Ni@LSTMN 阳极在 800 ℃下的最大功率密度可达 388 mW cm-2，在 700℃下稳定运行100 h 无明显的性能衰减；通过复合 SDC、BaO，Ni@LSTMN-SDC-BaO 复合阳极在 800 ℃甲烷气氛下的最大功率密度达到441 mW cm-2，在含 5 ppm H2S 的氢气气氛下的最大功率密度达到 475 mW cm-2，在 700℃ 5 ppm H2S 的氢气气氛下稳定运行 100 h 无明显的性能衰减，表明BaO的引入能够增强材料的水合能力，提高对H2S的催化分解活性。本项研究工作利用协同催化效应，将直接氧化反应机制与水媒氧化反应机制耦合，实现了SOFC对碳氢燃料的高效转化与稳定输出，为SOFC阳极材料的发展提供了新的思路和方法。