双金属修饰纳米催化剂对SOFC梯度阳极抗积碳影响机制研究

Direct hydrocarbon solid oxide fuel cells (SOFCS) have attracted much attention due to their higher conversion efficiency, less pollution and lower operational costs. However, the development of Direct hydrocarbon SOFCS is impeded by the carbon deposition and sintering of nickel based anodes. These issues can be solved by the utilization of graded anodes, which are composed of a catalyst layer and a nickel based anode substrate. And the key point for building a graded anode is to develop a catalyst with excellent performance and high stability toward hydrocarbon fuels. This proposal will investigate the effects of alloy synergy, properties and structures of supports and interaction between alloy and support on the performance and stability of nickel based catalysts, with the aim of screening the optimum catalyst modified with binary metals. Subsequently, the catalyst will be casted and in-situ sintered on the anode substrate to form a graded anode. Effects of preparation process for catalyst layer, flow rate of fuel and current density on the performance and carbon deposition behavior of graded anode will be evaluated. And the influencing mechanism will be putted forward. This proposal will lay the foundation for development of direct hydrocarbon SOFC anodes with higher catalytic activity and stability.

直接碳氢燃料固体氧化物燃料电池具有能量转化率高、环境污染小、操作成本低的优点，受到了国内外科研人员的广泛关注。然而，Ni基阳极积碳及烧结是制约直接碳氢化合物固体氧化物燃料电池发展的瓶颈，解决该问题的一个重要途径就是构筑阳极梯度电极，梯度阳极是由催化剂层和Ni基阳极基体组成，而开发高效稳定的催化剂是梯度阳极研制的关键。本文从催化剂载体的选择、结构的构筑、双金属的选择及负载方式出发，重点研究双金属协同作用、载体性质及结构以及金属与载体之间的相互作用对催化剂催化性能及稳定性的影响，优化出最佳性能的双金属纳米催化剂。利用原位烧结还原方法构筑梯度阳极，考察催化剂层的制备工艺、气体流速及电流密度对阳极活性及抗积碳行为的影响，总结出其中的影响机制，为高效稳定的直接碳氢化合物固体氧化燃料电池阳极的开发提供理论指导作用。

直接碳氢燃料固体氧化物燃料电池是绿色的能源发电系统，具有能量转化率高、环境污染小、操作成本低的优点。然而，Ni基阳极积碳及烧结是制约直接碳氢化合物固体氧化物燃料电池发展的瓶颈，解决该问题的一个重要途径就是构筑梯度阳极，本项目主要围绕直接碳氢固体氧化物燃料电池梯度阳极的构建及积碳行为进行研究。.本文采用水热法，通过调整水热法的工艺条件，实现了一维纳米结构CeO2、ZrO2、CeO2-ZrO2催化剂载体的可控制备，并通过优化化学镀工艺，在上述催化剂载体表面负载了Ni金属形成了一维纳米结构的Ni基催化剂，考察了Ni含量、载体结构及性质对催化剂性能的影响。研究发现，Ni- CeO2/ZrO2催化剂具有良好的催化性能及稳定性，主要源于CeO2和ZrO2载体协同作用，CeO2具有较高的催化氧化活性，而ZrO2表面碱度高、热稳定性好。.为了进一步提高Ni基催化剂的催化活性及稳定性，利用化学镀工艺在Ni基催化剂上分别负载了Cu和Co金属组成了双金属纳米催化剂，确立了化学镀镀铜和钴的工艺条件，考察了催化剂的催化性能及稳定性，分析了金属协同作用、金属与载体相互作用对催化剂稳定性及催化活性的影响。研究结果显示，Cu和Co的加入提高了催化剂的催化活性及稳定性，其中NiCo- CeO2/ZrO2催化剂性能较佳，源于Co良好的催化活性及其Co与Ni之间的合金化作用。.采用涂层及原位烧结还原工艺，在Ni/YSZ阳极基体上制备了NiCo- CeO2/ZrO2催化剂层形成了梯度阳极，探索了阳极的电性能及积碳行为。与Ni/YSZ阳极组成的电池相比，梯度阳极组成的电池功率密度明显增加，随测试温度的升高，电池性能不断提高；稳定性研究结果显示，气体流速、测试时间和温度影响阳极性能，低的测试温度下，随气体流速和测试时间的延长，催化剂性能衰减较快，阳极出现积碳现象，随测试温度的提高，阳极积碳减少，阳极的稳定性提高，当测试温度过高时，催化剂层结构容易粗化，阳极稳定性变差。.上述研究将为高性能碳基阳极催化剂的合成及积碳机制研究提供良好的技术和理论指导。