技术交易 登录 | 注册
股交交易 登录 | 注册
首页 > 技术交易 > 成果
硫中毒镧锶铬锰阳极的电化学泵氧再生能力及第一性原理研究
发布时间: 2025-01-02 浏览量:7
  • 交易方式:
  • 联系电话:15004662683
  • 单位名称或姓名:
  • 技术领域:
  • 成果类型:
项目基本情况Basic information of the project
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种主要以快离子导体和氧化物材料作为电解质和电极(阴极和阳极)的全固态发电装置。具有能量转换效率高、燃料利用灵活、环保、无电解质泄漏、无腐蚀等优点。此外,SOFC单电池或电池堆结构多样,工作余热温度较高,在大功率发电系统、分布式电源系统、家用热电联供系统、车载辅助电源、小型便携式电源等领域具有广阔的应用前景。 使用廉价燃料是SOFC商业化时需面临的成本问题,而当前所有的SOFC阳极材料都会在使用廉价燃料过程中发生硫中毒现象,只是不同阳极材料的硫中毒程度有所差别。为了实现SOFC阳极材料的反复、可持续使用,在阳极硫中毒后寻找能最大程度恢复阳极组分、微结构和电化学性能的再生方法极为必要。目前有三种再生方法可实现硫中毒阳极的再生,分别为恒流放电法、化学氧化法和电化学氧化法。以上三种再生方法各有优缺点和适用范围,其中电化学氧化再生方法是集安全和高效为一身的再生方法,此方法利用电化学工作站控制泵氧电流密度从而将氧离子从阴极泵入阳极,氧离子可进入阳极晶格置换硫离子,除此之外,氧离子还可被还原为氧气并对硫中毒产物进行氧化,以上过程均能实现除硫的目的。电化学氧化方法已成功实现了硫中毒La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3(LSCrM)阳极的反复再生,且再生过程还可对LSCrM阳极产生活化作用。LSCrM阳极因其具备较高的耐氧化还原稳定性、强抗积碳和耐硫中毒能力而备受关注,但是LSCrM的离子-电子导电能力和对燃料的催化能力较差,而向LSCrM阳极中引入少量Ni金属催化剂(Ni-LSCrM)可明显提高阳极的电导率和催化活性,进而提升LSCrM阳极的电化学性能和电池的输出性能。但是研究发现,由于金属Ni为纯电子导电材料以及LSCrM基底阳极有限的氧离子电导率,电化学氧化再生方法对于硫中毒Ni-LSCrM复合阳极的再生并不适用,电化学氧化过程会导致Ni催化剂颗尺寸增大,以及造成催化剂颗粒迁移,进而对复合阳极的结构和电化学性能造成不可逆的破坏。目前来看,电化学氧化再生方法对硫中毒的纯电子导电相材料以及其修饰的氧化物复合阳极材料的再生具有一定的局限性。 本发明提出采用微纳米级氧化物催化剂对金属催化剂修饰的基底阳极进行单层包覆制成复合阳极,在不影响基底阳极功能和金属催化剂催化功能发挥的前提下,利用微纳米级氧化物催化剂具有输运氧离子能力的这一性质,将三相反应区扩大至整个阳极区域;微纳米级氧化物催化剂颗粒还可增加阳极处的燃料电化学反应活性位点,进一步提升复合阳极的电化学性能。当复合阳极发生硫中毒并执行电化学泵氧氧化过程中,阳极处的微纳米级氧化物催化剂可提供丰富的氧离子输运通道,除此之外,微纳米级氧化物催化剂附着在基底阳极和金属催化剂的表面,还可对金属催化剂的迁移起到阻碍和抑制的作用。 本发明固体氧化物燃料电池耐硫中毒可再生阳极在制备过程中,金属催化剂对应的硝酸盐前驱体溶液会在高温煅烧时分解为金属氧化物,而在电池工作过程中,此金属氧化物会被还原性气氛还原为金属催化剂,金属催化剂通常选取过渡族金属或者碱土金属中较为活泼的金属元素;本发明固体氧化物燃料电池耐硫中毒可再生阳极在制备过程中,氧化物催化剂对应的硝酸盐前驱体溶液也会在高温煅烧时分解为金属氧化物,在电池工作中,此金属氧化物并不能被还原性气氛还原为金属,而是多种金属价态共存的金属氧化物催化剂,此氧化物催化剂通常选取稀土金属元素氧化物或者多种稀土金属元素共合成的氧化物。为了最大程度的提升阳极的三相反应区和实现抑制金属催化剂在电化学氧化过程中的迁移问题,氧化物催化剂的担载量应大于金属催化剂的担载量,并实现单层氧化物催化剂包覆金属催化剂和基底阳极;若氧化物催化剂担载量较少,复合阳极的三相反应区和比表面积的增加量则有限,而若氧化物催化剂的担载量较多,则会在金属催化剂和基底阳极处形成多层致密包覆,这会使金属催化剂和基底阳极丧失催化和基底阳极功能。 本发明针对金属催化剂修饰的基底阳极不适用于电化学泵氧氧化再生这一问题,提出采用氧化物催化剂对金属催化剂进行固定,通过控制两种催化剂的浸渍顺序和浸渍量,实现一种氧化物催化剂、金属催化剂和基底阳极共存的复合阳极结构,此复合阳极在硫中毒后可通过电化学泵氧氧化过程实现再生,所述的复合阳极制备方法简单、快捷,具备一定的耐硫中能力和电化学泵氧氧化再生能力。此复合阳极结构的提出可解决SOFC商业化过程中硫中毒金属阳极不可利用电化学泵氧氧化方法获得再生的问题,也可为其他领域中催化剂材料的迁移及再生问题提供借鉴。