鎳-釔穩(wěn)定二氧化鋯的抗硫中毒和抗積碳機(jī)制研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFCs)有很多優(yōu)點(diǎn)，比如燃料多樣性、能量轉(zhuǎn)化效率高、排放污染少、成本相對(duì)低廉等，是一種很有希望的替代能源，然而SOFCs也面臨許多挑戰(zhàn)，如傳統(tǒng)的陽(yáng)極“鎳/釔穩(wěn)定二氧化鋯(Ni/YSZ)”在燃料燃燒反應(yīng)中受到硫中毒和碳沉積的影響而失效等，其機(jī)理，特別是陽(yáng)極界面的電化學(xué)，熱化學(xué)反應(yīng)細(xì)節(jié)還很不清楚，且很難從實(shí)驗(yàn)室的水平上去診斷。因此從物理模型方面去研究理解固體氧化物燃料電池隱含的機(jī)制，比如硫中毒和碳沉積具有重要的現(xiàn)實(shí)意

2、義。本文開(kāi)展了下面四項(xiàng)工作:
　　1.Ni/YSZ和Ni/(YSZ+O)硫中毒機(jī)制對(duì)比研究。
　　構(gòu)建了Ni/YSZ以及Ni/(YSZ+O)模型，研究了硫中毒的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)硫原子不喜歡待在界面氧的臨近，而是傾向擴(kuò)散遠(yuǎn)離界面氧。一旦界面氧消失，存在界面氧空位時(shí)，硫原子將擴(kuò)散回界面氧空位附近，甚至陷入界面氧空位，很難逃離界面氧空位的束縛，即使是通入氫氣，也是如此。因此少量的硫就能阻塞稀少的界面氧空位，從而導(dǎo)致SOFC氧離子傳輸受阻

3、，引起顯著的性能下降。但是相比Ni/YSZ來(lái)說(shuō)，在本征氧空位添加額外的氧原子形成的氧化的Ni/YSZ體系，Ni/(YSZ+O)，有助于減弱硫原子在界面氧空位的吸附，減小硫原子擴(kuò)散出空位的勢(shì)壘，換句話(huà)說(shuō)，Ni/(YSZ+O)能在一定程度上緩解硫中毒。
　　2.YSZ負(fù)載Ni-Sn雙金屬及其抗硫中毒機(jī)制。
　　構(gòu)建了Ni-Sn/YSZ模型，研究了其高抗硫中毒機(jī)制，分別研究在合金化摻雜的Sn和吸附Sn兩個(gè)體系上S原子擴(kuò)散的行為。發(fā)

4、現(xiàn)合金化摻雜的Sn能有效的減少S原子擴(kuò)散的途徑，而吸附的Sn能有效地增加S原子擴(kuò)散到氧空位的勢(shì)壘。該結(jié)果較好地解釋了實(shí)驗(yàn)上觀(guān)測(cè)到的僅僅用少量的Sn蒸汽處理，就能非常有效地阻止硫中毒的發(fā)生的現(xiàn)象。
　　3.YSZ負(fù)載的Ni(Au，Ag，Cu)合金表面模型及其抗硫中毒機(jī)制。
　　研究了YSZ負(fù)載的純凈的和幣族金屬(Au，Ag，Cu)摻雜的Ni納米線(xiàn)及其抗硫中毒機(jī)制，結(jié)果表明只有Au傾向于在界面氧空位處摻雜，由于A(yíng)u對(duì)硫的惰性，硫

5、在A(yíng)u摻雜的Ni/YSZ界面氧空位的吸附減弱，從而導(dǎo)致硫原子逃脫界面氧空位的勢(shì)壘下降，這些結(jié)果表明界面氧空位處摻入Au更有利抗硫中毒。
　　4.含氫氣，一氧化碳或水分子燃料對(duì)Ni/YSZ界面碳沉積的影響
　　研究了通入H2，CO，CH4，及有H2O情況下Ni/YSZ界面的碳沉積形成機(jī)制，得到如下三點(diǎn)結(jié)論:1）與在純凈的Ni(111)表面上相比較，CH(C-H燃料的產(chǎn)物)可以很容易擴(kuò)散到界面氧空位處，并且更加容易解理產(chǎn)生C和H