过渡金属合金/钛酸钡核壳结构复合材料作为直接甲烷燃料电池阳极的研究

Solid oxide fuel cells have advantage in fuel flexibility and some hydrocarbon fuels such as methane can be directly used. However, traditional anode materials suffer some issues including low catalytic activity for methane, sulfur poisoning and coking. Core/Shell structure has unique properties in monodispersity, stability, self-assembly and adjustability. The features of Core/Shell structure make it possible to construct multi-function anode materials with electrical, catalytic and stable properties. In this project, composite material with Core/Shell structure will be synthesized under control by adjusting the chemical structure and micromorphology of particles in the Core/Shell structure of transition metal alloy/BaTiO3. The effect of interaction between alloy and BaTiO3 to the forming process, structure and property of the Core/Shell structure will be studied. The electrical property, methane catalytic activity, sulfur-tolerant and coking-resistance of the Core/Shell composite material will be investigated. On this basis, the relation between Core/Shell structure adjustment and material property optimization will be established. Composite anode with good catalytic activity, sulfur-tolerant and coking-resistance for direct-methane fuel cells will be developed. It will provide fundamental theory and experimental evidence for the preparation of functional composite material with Core/Shell structure. It will also open a new way for the development of high performance fuel cell composite anode.

固体氧化物燃料电池燃料适用范围广，可以直接利用甲烷等碳氢化合物作为燃料。但是，目前的阳极材料存在着甲烷催化活性低、耐硫和抗积碳能力差等问题。核壳结构独特的单分散性、稳定性、自组装和可调控等性质为构筑拥有电学、催化与稳定的多功能复合性质的阳极材料提供了条件。本项目拟通过调控过渡金属合金/钛酸钡核壳结构中粒子的化学结构和微观形貌，实现核壳结构复合材料的可控制备。进而考察合金和钛酸钡之间的相互作用对复合材料核壳结构形成过程、结构和性质的影响，研究核壳结构复合材料的电学性质、甲烷催化活性、耐硫和抗积碳性能。在此基础上，建立核壳结构调控与复合材料电学性质及催化性能优化的内在联系，研制出具有良好催化、耐硫、抗积碳性能的甲烷燃料电池阳极复合材料，为以核壳结构为基础的功能化复合材料的制备提供理论及实验依据，为研制高性能燃料电池阳极复合材料开辟新的思路。

项目重点研究各种水热反应体系、条件和原料对钙钛矿氧化物电极的微观结构调控和性能优化的影响机制。通过调配不同的溶剂体系能够获得不同微观形貌（纳米颗粒或球形）的钙钛矿氧化物，对热处理条件进行控制能够获得中空结构的材料，结果表明中空结构的构建有利于电子、离子的快速传输从而有效提高电极性能；提出利用表面活性剂对材料的微观形貌进行修饰来减小材料的颗粒尺寸，获得多孔结构来提高电极的比表面积和活性位点，从而进一步提高电极性能。在双金属硫化物电极的拓展研究方面，利用不同原料在反应过程中产生的气体（气泡）为模板构建了中空球的微观结构，并利用原料在反应过程中不同的反应速率获得了不同的表面形貌，结果表明气泡表面原位自组装可以获得具有表面次级结构的中空双金属硫化物，并且这种结构能够显著提升电极的电化学性能。. 总之，本项目的实施实现了电极材料的微观结构和形貌的有效调控和可控制备，达到了提升电化学性能和稳定性的目的。通过对水热合成体系和条件的设计和调控，可以制备具有中空和表面次级结构的材料并实现电极性能的提升。项目的实验研究已成功建立了多种材料制备的新方法，并获得了一系列性能优异的电极材料。