LaNi(1-x)FexO(3-δ)纳米晶-430L复合阳极的可控构建及性能研究

Due to the strong catalytic of metal Ni to C-H bond, it is prone to deposit carbon during the directly utilization of solid oxide fuel cell (SOFC). There are three main ways to solve the problem: modifying the Ni anode, looking for new mixed ion-electron conductors and reducing the operating temperature. However, there is no anodic materials can satisfy both good catalytic active and carbon deposition tolerance at the same time. This project tends to design a novel composite anode named Nano-LaNi(1-x)FexO(3-δ)@430L by tape casting-co sintering-suspension impregnation technologies. The actual chemical compositions and microstructures of the electrode materials will be studied systematically when the anode is exposed in the pure hydrogen and methane at different temperatures. The anodic electro-catalytic reaction mechanisms will be also discussed. By investigation of long-term tests of the cells’ performances and the evolutions of anodic micro-structures, the preparation parameters of porous composite anodes will be obtained. The inner relationship and scientific laws among preparation parameters, micro-structure characterization and electrochemical catalysts activity will be studied. As a result, the porous composited anode will be controllable. It is of great importance to enrich and improve catalytic mechanism of direct methane SOFC, and promote the technical progress and market application of metal-supported SOFC.

固体氧化物燃料电池（SOFC）在直接使用甲烷时，阳极金属Ni对C-H键具有极强的催化作用，易造成阳极积碳。针对此问题，国内外主要采用三种办法来解决：改性Ni阳极、寻找新型离子-电子混合导体氧化物和降低工作温度。但迄今为止，尚未有抗积碳且催化性能良好的阳极材料满足要求。本项目采用流延-共烧结-悬浮液浸渍等技术构建名义组成为Nano-LaNi(1-x)FexO(3-δ)@430L的新型复合阳极，系统研究不同温度下该阳极在纯氢和甲烷燃料下的实际化学组成及微结构，探讨阳极电催化反应机理，考察阳极结构与性能的长期稳定性，阐明多孔复合阳极的制备参数、微结构特征和电化学催化活性及稳定性之间的内在关联和科学规律，实现多孔复合阳极的形貌与微结构的可控制备。这对于丰富和完善直接甲烷SOFC的催化机理，促进金属支撑SOFC的技术进步和市场应用具有重要的意义。

固体氧化物燃料电池是将燃料中的化学能直接转换成电能的能量转换装置，具有效率高、燃料适应性广的优点。发展低温、含碳氢化合物燃料的金属基支撑SOFC技术可实现与现有能源供应系统的良好兼容，在未来低碳高效能源体系中将占据重要位置。.本项目围绕LNF@CNT纳米晶用于直接甲烷金属基支撑燃料电池开展研究，获得了LNF纳米晶水热法制备和多孔430L-SSZ|致密SSZ|多孔430L-SSZ骨架的制备条件，采用浸渍法制备了电极，评估电池电化学性能，研究了原位生长CNT的形貌、耐碳机理，以及在此基础上开发了新型适用于氢燃料和含碳氢化合物燃料的SOFC、以及可用于电解水、干CO2的新型LSFNM材料。.研究结果表明，水热法中沉淀剂KOH浓度是影响纳米晶形貌的关键，低浓度KOH有利于棒状LNF纳米晶的形成。多孔|致密|多孔金属支撑骨架的制备关键在于在多孔层内加入氧离子导体SSZ，形成过渡层，解决多孔层与致密电解质层分层开裂的关键问题。浸渍担载量在30%的时候，电池具有较高的功率密度（650℃，0.67Wcm-2）， 0.5Acm-2恒电流放电37个小时电池物衰减。LNF@CNTs耐碳的原因在于高温条件下原位分解形成LaFeO3、La2O3、FeNi3，其中La2O3 在催化甲烷方面具有十分重要的辅助作用。催化时，La2O3 与金属 Ni 一起产生协同作用，防止 Ni 金属团聚，阻碍 Ni 微晶长大，同时使阳极整体呈碱性，有利于促进 Ni 颗粒表面与气相的相互作用。尽管 Ni 颗粒存在极易导致碳沉积，而FeNix合金的形成进一步稀释了 Ni 的量，使得 LNF 在高温下具有一定的耐碳性。同时LaFeO3的存在起支撑骨架作用，这也是为何LNF原位分解，电极结构尚未崩塌的原因。进一步，开发的LSFNM原位脱溶出纳米Ni-Fe合金，具有优异的催化性能，在纯氢和含碳氢化合物的燃料电池中表现良好，也可直接应用于电解水（800℃，电解电压1.5V，电流密度2.67A/cm2，即氢气生产速率为18.63ml·min-1cm-2）和干CO2的电解（800℃，1.6V, CO 生产速率为14.7ml·min-1cm-2），是一种优异的SOC低温电极材料。