电能和化学品共生的固体氧化物燃料电池的应用基础研究

随着能源危机和环境恶化的加剧，能同时发电和制备高附加值化学品的燃料电池因具有更高的能量效率而成为电化学工程的重要研究方向。乙烷脱氢制乙烯一般采用催化氧化脱氢的方法，但是乙烯选择性不太高，产物分离困难。若采用质子导体固体氧化物燃料电池反应器的电催化脱氢技术，乙烯选择性可达95%以上。该过程中电催化剂对乙烷电催化氧化脱氢制乙烯的效率及电池的发电性能具有关键作用，但目前对电催化剂及其作用机理的研究非常少。本项目拟在前期研究工作的基础上，采用中低温型掺杂BaCeO3质子导体电解质，降低反应器的操作温度，以抑制副反应的发生；并深入分析在M(1)-M(2)O纳米复合催化剂上乙烷电催化脱氢制乙烯的电催化过程机理。通过本项目研究，可在理论上揭示低碳烷烃的中低温电催化脱氢机理，在应用上提高燃料电池的产物选择性和发电性能，为合理有效利用天然气打下基础。

随着能源危机和环境恶化的加剧，能同时发电和制备高附加值化学品的燃料电池反应器正成为电化学的重要研究方向。本项目主要聚焦于开发高电导率中温质子导电固体氧化物电解质和相应的高效低碳烷烃脱氢电催化剂，基于所开发的材料制作燃料电池反应器，实现乙烷脱氢制乙烯同时发电。基于钙钛矿结构的BaCeO3材料，我们采用Y、Zr或Pr共掺杂的方法，合成出BaCe0.85Y0.15O(3-α) (BCY15) 、Ba(Ce,Y,Pr)O(3-δ) 和Ba(Ce,Zr,Y,Pr)O(3-δ) ，这也提高了他的中温质子电导率,其中Ba(Ce,Y,Pr)O(3-δ) 在773K下的质子电导率达到20mS/cm以上，并探明其掺杂提高质子导电率的机理。中温高电导率质子导电电解质的开发可以降低基于此电解质的燃料电池反应器的操作温度，减少副反应，提高产物的选择性。开发了高效率的纳米复合催化剂LaCrO3-VOx-BCY15代替了原来积碳较严重的M1-M2Ox电催化剂，采用XRD、XPS、SEM、EDS进行了成分、晶体结构和微结构表征，用于乙烷电化学催化脱氢，乙烯选择性达到97%以上，达到了研究目标。在750°C下，乙烷和氧气的流量均为200 cm3.min-1，使用Ba(Ce,Hf,Y,Pr)O(3-δ) 固体电解质，SOFCR（C2H6,LaCrO3-VOx-BCY15/Ba(Ce,Hf,Y,Pr)O(3-δ)/Pt,O2）的最大输出功率密度达到402 mW.cm-2 。本项目研究成果有助于理解烷烃电催化氧化脱氢生成烯烃的化学过程，对低碳烷烃的高效工业利用具有重要的参考价值和指导意义，对减少污染物排放和保护环境也具有重要意义。