科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“自清潔”機(jī)制，有效破解固體氧化物燃料電池硫中毒

燃料電池是一種電化學(xué)裝置，可以將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。與只能儲(chǔ)存電能的電池不同，只要持續(xù)供應(yīng)燃料和空氣，燃料電池就可以持續(xù)發(fā)電。

目前，人們正在探索多種燃料用于燃料電池，但這些燃料在釋放電能時(shí)的具體化學(xué)反應(yīng)過程非常復(fù)雜，且仍未被完全理解。對(duì)這些機(jī)理認(rèn)識(shí)的不足，是燃料靈活型清潔能源技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的重要障礙之一。例如，固體氧化物燃料電池（SOFC）容易受到“硫中毒”影響，即微量硫雜質(zhì)就會(huì)迅速降低系統(tǒng)性能。

近日，來自約翰與瑪西婭·普萊斯工程學(xué)院（John and Marcia Price College of Engineering）化學(xué)工程系的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種此前未知的蒸汽驅(qū)動(dòng)自清潔機(jī)制，能夠顯著提高固體氧化物燃料電池陽極的抗硫能力。

該研究由副教授Duan Chuancheng與其實(shí)驗(yàn)室的研究生Yue Bao領(lǐng)導(dǎo)，研究成果發(fā)表在《Journal of the American Chemical Society》上。

研究結(jié)果表明，在鎳基 SOFC 陽極中加入銠（Rh）元素，會(huì)形成雙金屬納米顆粒，這些顆粒不僅能夠主動(dòng)抵抗硫中毒，還能在蒸汽作用下自動(dòng)再生。這一發(fā)現(xiàn)首次直接解釋了為什么摻銠改性的SOFC陽極在含硫燃料條件下仍能保持穩(wěn)定性能。對(duì)這一機(jī)制的深入理解將有助于推動(dòng)燃料電池在實(shí)際應(yīng)用中的可行性。

在傳統(tǒng)鎳基SOFC陽極中，即使是極微量的硫雜質(zhì)（如硫化氫 H?S），也會(huì)迅速使陽極失活，因?yàn)榱驎?huì)與鎳形成穩(wěn)定的鎳硫化物（Ni-S），從而覆蓋并阻塞陽極表面活性位點(diǎn)。

研究團(tuán)隊(duì)通過結(jié)合原位高溫紅外光譜、熱化學(xué)分析以及電化學(xué)診斷技術(shù)發(fā)現(xiàn)，加入銠后會(huì)從根本上改變陽極表面的化學(xué)性質(zhì)。銠的存在削弱了 Ni-S 鍵的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)能夠活化水分子，生成具有高反應(yīng)性的羥基（OH）物種。這些羥基會(huì)將吸附在表面的硫氧化為揮發(fā)性的二氧化硫（SO?），隨后自然從表面脫附。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)鎳基陽極相比，在燃料中含有低于100 ppm H?S污染的情況下，采用Ni-Rh 雙金屬催化納米顆粒的 SOFC 能夠保持超過三倍的功率輸出，同時(shí)極化電阻顯著降低。更重要的是，該催化劑在實(shí)際運(yùn)行條件下表現(xiàn)出自再生能力，無需額外的脫硫設(shè)備或復(fù)雜的再生處理過程。

段傳成表示：“這項(xiàng)研究提出了一種設(shè)計(jì)抗硫電化學(xué)材料的新策略。我們證明，催化劑不僅可以被設(shè)計(jì)為耐硫，還可以在運(yùn)行過程中主動(dòng)實(shí)現(xiàn)自清潔。”

Yue Bao進(jìn)一步指出：“除了 SOFC 之外，這一研究成果還為高溫催化、電化學(xué)能源系統(tǒng)以及燃料靈活型發(fā)電技術(shù)提供了可推廣的見解，尤其適用于天然氣、生物氣、合成氣以及其他含硫燃料的應(yīng)用場(chǎng)景。”

該研究獲得了美國(guó)陸軍研究辦公室（U.S. Army Research Office, ARO）在先進(jìn)能源材料計(jì)劃下的資助（項(xiàng)目編號(hào)：#W911NF2410391、#W911NF-23-C-0038），表明該技術(shù)在國(guó)防和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施高性能電力系統(tǒng)方面也具有重要意義。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c01484?utm_source=chatgpt.com

（素材來自：約翰與瑪西婭·普萊斯工程學(xué)院 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）