氮化钒新型乙烷脱氢电催化剂的制备、机理及“电-乙烯”共生阳极支撑型SOFC的构建

As an efficient energy conversion device, SOFC can convert the fuel’s chemical energy to electricity energy directly. Hydrocarbons can be applied directly as the fuel, but the production of CO2 increase the greenhouse effect. In this project, a novel anode supported proton conducting SOFCs is presented, in which vanadium nitride is used as an eka-platinum anode. The hydrocarbon fuel can be electrochemically oxidized to olefin through the dehydrogenation, in which the chemicals and energy co-generation is realized without CO2 emissions. In this study, temperature- programmed method is applied to synthesize the metal nitrides. In-situ Raman spectra is carried out as a powerful characterization method to explore the new reaction mechanism of ethane dehydrogenation catalyst of the vanadium nitride on the molecular level. On this basis, theoretical foundation can be provided for the rational choice of catalyst.On the based of these founations, the relationship between the anode structure and the regulation of congeneration would be explored to guide the design of anode structure. The project research work provides new solutions to reduce emissions of greenhouse gases CO2 and rational utilization of natural energy.

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效的能量转换装置可以直接将燃料的化学能转化为电能，但当以碳氢化合物为燃料时，产生的CO2会加重温室效应。本申请设计并构建基于新型“类铂”氮化钒乙烷脱氢电催化剂的阳极支撑型SOFC,将碳氢燃料直接电化学催化脱氢，在产电的同时，获得乙烯产品，实现过程的CO2零排放。研究中，首先采用程序升温氮化法制备氮化钒，借助原位拉曼光谱表征手段，从分子水平，深入探讨这种新型催化剂的电催化反应机制，从而为进一步合理设计、制备催化剂提供理论依据。在此基础上，设计并构建阳极支撑型SOFC，通过对阳极微结构与电化学共生规律“构-效”关系的理解和认识，指导优化阳极微结构，实现“电和乙烯”的高效共生。本项目研究工作，将深化人们对于“电和化学品“共生这一反应过程规律的认识和理解，具有重要的理论意义，同时研究工作也为减少温室气体CO2排放和综合利用化石能源提供新的解决方案

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效的能量转换装置可以直接将燃料的化学能转化为电能，但当以碳氢化合物为燃料时，产生的CO2会加重温室效应。本项目设计并构建基于新型“类铂”氮化钒乙烷脱氢电催化剂的阳极支撑型SOFC,将碳氢燃料直接电化学催化脱氢，在产电的同时，获得乙烯产品，实现过程的CO2零排放。研究中利用第一性原理理论计算，从分子水平，理解和认识了这种新型过渡金属氮化物催化剂的电催化反应机制；设计构建了阳极支撑型薄膜SOFC，优化设计了多孔阳极微结构，实现电和乙烯的高效协同“共生”，700 oC时，乙烷的转化率为31%，乙烯的选择性为90%，峰值放电功率密度为420 mW/cm2；并在SCI刊物上发表了8篇以上高质量的论文。本项目研究工作，深化了人们对于“电和化学品“共生这一反应过程规律的认识和理解，具有重要的理论意义，同时研究工作也为减少温室气体CO2排放和综合利用化石能源提供新的解决方案。