铈基氧化物择优暴露晶面的表面/界面上的甲烷电催化氧化研究

The different planes such as (111)、(110) and (100) of ceria-based oxides have different surface composition and surface structure, and show large differences in adsorption, redox property and catalytic activity. In this project, oriented crystal films of ceria-based oxide with preferred exposed surfaces of (111)、(110) and (100) will be prepared through an investigation on the formation of ceria-based film prepared by magnetron sputtering. The electrochemical oxidation of methane on the (111)、(110) and (100) planes of ceria-based film will be investigated respectively in detail, and the electro-catalytic oxidation ability and anti-carbon deposition ability will be compared and studied. Methane electro-catalytic oxidation will be studied at the three phase boundaries of (111)、(110) and (100) planes of ceria-based film, Ni or Cu metal, and methane gas. This research on the fabrication of preferred exposed planes of ceria-based film and the performances of different exposed planes will provide a theoretical and technical basis for the development of high activity and anti-carbon deposition anode for solid oxide fuel cell.

铈基氧化物的不同晶面，如(111)、(110)、(100)，具有不同的表面组成和排列结构，在吸附、氧化还原活性、催化活性等方面存在很大的差异。本项目研究磁控溅射法制备择优暴露(111)、(110)、(100)等晶面的铈基氧化物薄膜；在此基础上，研究甲烷在(111)、(110)、(100)等晶面上电催化氧化的过程特征，比较不同晶面的电催化氧化活性和抗积碳性能；研究铈基氧化物薄膜的(111)、(110)、(100)等晶面与镍或铜金属和甲烷气三相界面的电化学氧化性能。通过本项目研究，探索出磁控溅射法制备择优暴露晶面铈基氧化物薄膜的方法，认识铈基氧化物薄膜不同晶面对甲烷的电催化氧化性能，为发展用于固体氧化物燃料电池的高活性、抗积碳阳极奠定理论和技术基础。

铈基氧化物的不同晶面，如(111)、(110)、(100)，具有不同的表面组成和排列结构，在吸附、氧化还原活性、催化活性等方面存在很大的差异。本项目主要研究了通过磁控反应溅射沉积的方法溅射沉积铈基氧化物薄膜沿特定晶面择优生长的规律，以及铈基氧化物不同晶面的氧催化还原活性与机理。研究发现在磁控反应溅射过程中，氧分压对铈基氧化物薄膜织构具有非常重要的影响，在缺氧条件下铈基氧化物薄膜均可以实现沿(111)晶面择优生长，在富氧条件下，CeO2、Gd0.1Ce0.9O2-δ (GDC)以及(Ce-Sn)O2-δ薄膜可以实现沿 (200) 择优生长，而La0.1Ce0.9O2-δ (LDC)、(Ce-Mn)O2-δ、(Ce-Zr)O2-δ薄膜可实现沿 (220) 择优生长。铈基氧化物不同晶面具有不同的氧催化还原活性与机理，在700-800oC的温度范围以及极化条件下，O2在GDC(111) 上催化还原是一个得4电子的步骤完成，而在GDC(220)上催化还原需要两个得2电子步骤完成；对于(Ce-Zr)O2-δ薄膜，在较高温度以及较低偏压下，Ce-Zr (111)晶面具有较高的氧催化还原活性，但在较低的温度下Ce-Zr (220) 具有较高的氧催化还原活性，其机理在不同偏压下也不相同。本研究探索出用磁控溅射法制备择优暴露晶面铈基氧化物薄膜的一般规律，并且揭示了部分铈基氧化物不同晶面的氧催化还原活性与机理。