固体氧化物燃料电池阳极材料积碳和硫中毒机理与改性的理论研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高效率、低污染及适用燃料(如氢、碳氢化合物等)范围广等优点而成为当今世界能源领域的开发热点，但直接以碳氢化合物为燃料的SOFC 的应用也存在一些技术难题，如SOFC 阳极材料Ni-YSZ(加入氧化钇稳定剂的ZrO2)表面因出现积碳(coking)和硫中毒现象而失去活性，从而引起人们的关注。人们对Ni-YSZ 体系积碳和硫中毒引起阳极失去活性的微观机理还不太清楚，因此还没有很有效的解决途径，极大地限制了固体氧化物燃料电池的广泛应用。本课题旨在用第一性原理方法及从头算原子热力学方法，从原子层次和电子结构方面对Ni-YSZ 和Cu-CeO2(阳极替代材料)体系及其积碳和硫中毒问题进行系统的对比研究，阐明不同阳极材料的微观结构特点、积碳和硫中毒差异的微观机理，并通过对体系中 Ni、Cu 的合金化改性及CeO2 的掺杂改性研究，为SOFC 阳极材料改性提供理论依据。

固体氧化物燃料电池(SOFC)因其清洁、高效、低污染及适用燃料(如氢、碳氢化合物等)范围广等优点引起了世界范围内的广泛关注，但其阳极材料存在亟待解决的硫中毒和积碳问题。近年来的研究对积碳和硫中毒现象的形成机理有了一定的理解，提出了抗积碳催化剂应具有有效地氧化碳的能力和抑制C-C键形成的能力。但由于问题的复杂性(如SOFC阳极燃料的氧化发生在复杂的“电解质，电极和燃料气体”三相界面上，且SOFC工作在高温和不同气体分压环境中)，对SOFC阳极材料三相界面处原子和电子结构特征的研究尚不充分，对其因积碳和硫中毒失去活性的微观机理还没有系统地解释。对这些问题的深入研究，可以为SOFC改性(如用3d，4d，5d金属与Ni形成合金来替代Ni，对Cu掺入活性金属Fe，Co，Pd等)及设计新型的SOFC阳极材料提供翔实的理论依据。四年来，我们采用第一性原理方法，结合第一性原理热力学方法，对纯净的及金属修饰掺杂的YSZ和CeO2体系从原子水平和电子结构层面进行了系统地研究，建立了更优的SOFC阳极材料模型，澄清了Ni-YSZ三相边界微观结构。揭示了Ni-YSZ和Cu-CeO2在不同环境温度和气体分压下硫中毒和碳沉积的形成机理，分析了掺入IB族金属(Au，Ag，Cu)的Ni基合金催化剂表面的抗积碳机制，阐明了表面合金及替位掺杂(如Sn，Au，Rh等)对提高Cu-CeO2，Ni-YSZ，YSZ及YSZ+O体系的抗硫中毒性能的内在机理，针对性地提出阳极材料碳沉积抗硫中毒问题解决方案，为提高SOFC阳极效能，在一定程度上缓解环境和能源问题提供了解决思路。.通过本项目的研究课题组共发表SCI论文57篇，中文核心期刊5篇，培养博士生6人，硕士生12人。