陶瓷电极金属氧化物界面催化机理及高温电解性能研究

作     者：后士胜 

作者单位：福建师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢奎

授予年度：2019年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：固体氧化物电解池 氢电极材料 CO2 H2O/CO2 纳米金属颗粒催化剂 

摘      要：固体氧化物电解池(Solid oxide electrolyzer cells,SOEC)是一种可以将水和二氧化碳转变为氢气和一氧化碳的高效能量转换装置。通过固体氧化物电解池可以减少温室气体二氧化碳的排放,实现大规模储能和转换,并促进可再生能源融入电网。本文对固体氧化物电解池的工作原理,关键材料以及固体氧化物电解池电解二氧化碳和共电解的研究现状进行了全面的概述。通过对CO电解和HO/CO共电解的催化机理探讨,我们认识到二氧化碳转化为一氧化碳,水蒸气和二氧化碳转化为合成气过程的本质,以便更好地提高SOEC高温电解性能。本文采用在金红石结构NbTiO中构造氧空位的同时再掺杂Ni、Cu和NiCu来代替传统的Ni基复合材料,由于NbTiO可以掺杂大量的金属元素,因此掺杂后电极材料的性能介于传统金属电极和陶瓷电极之间。在这项工作中,电化学性能表明NiCu是一种协同催化剂,可以显著增加CO电解性能。在高温还原气氛中,NiCu合金催化剂原位生长在Nb(TiMn)O的陶瓷材料的基底上,形成的三相界面(TPB)能够增强电极材料的催化活性。在高温下电解二氧化碳的性能反映出电极材料的活性与合金的组成有很强的关系,即不同组分的NiCu/Nb(TiMn)O形成的界面与复合电极的电化学性能相关。CO解离是在三相界面处从气相到固体氧化物相的氧转移过程,其三相界面主要由氢电极极中的金属氧化物界面组成。在这里,我们的目标是通过控制金属氧化物界面的结构和组成来增强氧气转移过程以促进CO还原为CO。氧转移工程显着提高了CO的电解性能,并且显示出电化学性能与界面处原位生长的金属纳米颗粒的合金组分和氧空位协同控制具有强烈的相关性。接下来我们通过固体氧化物电解池(SOEC)对HO/CO进行共电解来产生合成气。作为氢电极材料,SrFeMoO的B位阳离子具有很宽泛的组成部分,这种特性提供了设定其性能的灵活性。因此,在SrFeMoO的B位中掺杂10%的Fe。高温还原气氛下,原位生长的Fe-陶瓷复合阴极为HO/CO共电解过程提供了大量有效的三相界面(TPB)。通过X射线衍射(XRD),X射线光电子能谱(XPS),扫描电子显微镜(SEM)和高分辨率透射电子显微镜(X射线衍射(XRD))分析了分布在SrFeMoO基底上的Fe纳米粒子。在850℃温度下,电流密度在1.6 V时达到1.27 A cm,固体氧化物SrFeMoO-SDC/LSGM/SrFeMoO-SDC电池在1.3 V的电压下电流效率约为91%,并且电池在运行100小时后表现出高度稳定的长期性能。