高活性高稳定性固体氧化物燃料电池阳极催化剂的模拟与设计

发布时间：2020-05-03 20:17

【摘要】：固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种有效的能源转换装置,它能够把化学能转换成电能。与其它类型的燃料电池和能量转换装置相比,SOFC有许多令人满意的优点。如它采用固体电解质、能够避免贵重金属的使用、效率高、污染小、燃料选择灵活性强等。SOFC的燃料来源非常广泛,例如,氢气,天然气,乙醇等碳氢化合物。其中,SOFC阳极发生的主要反应为氢气、CO氧化和甲烷的氧化反应等,而氧气的解离可以直接给燃料提供氧离子,提高燃料转换效率,是多相氧化反应中重要的一步。Ni纳米颗粒负载的YSZ(钇稳定的二氧化锆),是一种常用的SOFC阳极材料。在Ni/YSZ陶瓷材料中,Ni纳米颗粒提供电子导电性,YSZ负责氧离子的传导。本文利用第一性原理方法,并从原子层次和电子结构方面对Ni/YSZ阳极结构进行研究,考虑了多种因素对阳极催化活性的影响,比如结构的稳定性,Ni团簇颗粒大小。同时考虑不同种类的催化剂对氧解离催化活性的影响,并且考虑表面氧空位的作用,最后综合各个因素提出高效稳定的阳极催化剂设计方案。主要研究工作及结果如下:1.研究了不同尺寸Ni颗粒对氧气解离催化活性的影响。研究发现,负载Ni_2团簇大大提高氧气在YSZ(111)表面的解离反应速率,Ni_2团簇是高效催化氧气解离的最小团簇。这一研究成果对Ni/YSZ(111)复合材料的成本-效率方面的设计提供了重要的参考。2.研究了Au_2负载在不同金属氧化物基底(MgO(100),CaO(100),BaO(100),TiO_2(110)和YSZ(111))上的特性,以探索Au在金属氧化物基底上的生长模式。结果表明Au原子在BaO(100)和TiO_2(110)表面倾向于形成二维团簇,而在MgO(100),CaO(100)和YSZ(111)表面倾向于形成三维团簇。同时我们还总结了E_(Au-Support)/E_(Au-Au)的值与E_b的线性关系以及缔合能量与转移电荷量之间存在潜在的关系,这些结果加深了对结构-性质关系的理解,也对贵金属催化剂在金属氧化物基底上的生长提供了有用的信息。3.探索了其它常见的贵金属单原子(Pd,Pt,Rh和Ir)催化剂负载在YSZ(111)表面对氧解离的影响,并进一步考虑了表面氧空位的影响。首先以稳定性为第一判据筛选出稳定的结构。与纯净的YSZ表面相比,我们发现表面氧空位(Ov)的位置可以通过吸附不同的单原子进行调节。表面上吸附的贵金属单原子也能够显著激活表面氧原子,更容易形成表面空位。通过对比,我们发现对于NM/YSZ(111)体系来说Ir/YSZ(111)表现出了较高的稳定性,而对于有表面氧空位的NM/YSZ-Ov(111)体系来说Pt/YSZ-Ov(111)表现出了最高的稳定性。进一步通过O_2分子的吸附和解离特性来预测这两种稳定结构对氧气还原反应(ORR,Oxygen Reduction Reaction)的催化效果,研究发现Pt/YSZ-Ov(111)体系表现出了高稳定性和高ORR催化活性。
【图文】：

燃料电池的应用领域

SOFC的电极/电解质界面以及电化学过程
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 王镐 ,武宏让;直接甲醇燃料电池用铂-钌阳极催化剂[J];稀有金属快报;2003年03期

2 税安泽;夏海斌;刘平安;曾令可;王慧;程小苏;;直接甲醇燃料电池阳极催化剂的研究进展[J];材料导报;2007年S3期

3 赵顺炜;王耀琼;高焕方;许俊强;;金属化合物作直接甲醇燃料电池阳极催化剂载体的研究进展[J];化工进展;2017年03期

4 张曼;龙梅;刘艳红;乌伊罕;;直接甲醇燃料电池阳极催化剂及电催化稳定性研究[J];化工新型材料;2016年09期

5 周灵怡;郭士义;龚燕雯;;直接甲醇燃料电池阳极催化剂的研究进展[J];发电设备;2018年01期

6 林囿辰;罗凌虹;吴也凡;程亮;石纪军;孙良良;;中温固体氧化物燃料电池铁系阳极催化剂的性能研究[J];稀有金属材料与工程;2018年S1期

7 王旭红;马冠云;阮世栋;汪凯鹏;朱慧;;直接乙醇燃料电池阳极催化剂载体的研究进展[J];化工新型材料;2015年01期

8 张卫国;吴娜;余建;赵杰;吕营;;直接甲醇燃料电池阳极催化剂磷化镍的合成及其性能的研究[J];江西化工;2015年03期

9 王旭红;朱慧;刘飞;黄金山;董如林;倪红军;;直接乙醇燃料电池阳极催化剂的研究进展[J];材料导报;2013年21期

10 于晓颖;张杰;;直接甲醇燃料电池非贵金属阳极催化剂研究进展[J];中国粉体工业;2018年01期

相关会议论文 前10条

1 王盼盼;张凯庆;邹镇耀;;直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究现状[A];西南汽车信息（2017年第12期 总第381期）[C];2017年

2 张日清;周震涛;;直接甲醇燃料电池三元阳极催化剂的研制[A];电动车及新型电池学术交流会论文集[C];2003年

3 张仲华;周小春;葛君杰;黄云杰;刘长鹏;廖建辉;陆天虹;邢巍;;直接甲酸燃料电池新型阳极催化剂的研究[A];中国化学会第26届学术年会新能源与能源化学分会场论文集[C];2008年

4 邢巍;陆天虹;;直接醇燃料电池阳极催化剂研究[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集（上册）[C];2006年

5 刘军民;蔡育芬;廖世军;;直接甲醇燃料电池阳极催化剂PtMoSi／C的制备和表征[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

6 王耀辉;高山;李良琼;姜春萍;陈金伟;王瑞林;;直接甲醇燃料电池阳极催化剂的PtRu/C的制备及表征[A];2008 International Hydrogen Forum Programme and Abstract[C];2008年

7 郑燕贞;王翠芳;郭永榔;;直接乙醇燃料电池PtSn／C阳极催化剂的制备和表征[A];第二十七届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2006年

8 褚道葆;冯德香;张金花;林华水;胡维玲;田昭武;;纳米TiO_2-CNT-PtNi复合纳米催化剂对甲醇的电催化氧化[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

9 陈煜;唐亚文;刘长鹏;邢巍;陆天虹;;碳载高合金化Pt-Ru催化剂的制备及性能[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（上集）[C];2005年

10 王耀辉;高山;李良琼;姜春萍;陈金伟;王瑞林;;直接甲醇燃料电池阳极催化剂的PtRu/C的制备及表征[A];中国化学会第26届学术年会新能源与能源化学分会场论文集[C];2008年

相关博士学位论文 前10条

1 杨春巍;直接甲醇燃料电池Pt-Ru基阳极催化剂的研究[D];哈尔滨工业大学;2007年

2 刘以成;直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究[D];清华大学;2002年

3 赵宏滨;直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备及电化学研究[D];上海交通大学;2009年

4 杨珍珍;硼氢化物燃料电池阳极催化剂研究和结构设计[D];浙江工业大学;2009年

5 王小明;直接甲酸燃料电池阳极催化剂研究[D];复旦大学;2010年

6 黄华杰;基于纳米碳材料的直接甲醇燃料电池阳极催化剂的控制合成及性能研究[D];南京理工大学;2014年

7 段加林;直接甲醇燃料电池膜电极高活性阳极催化剂及阻醇研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

8 易兰花;直接硼氢化钠—过氧化氢燃料电池阳极纳米催化剂的研究[D];湘潭大学;2013年

9 许伟;氨及其衍生物的纳米镍基电化学催化转化[D];浙江大学;2017年

10 李忠水;Pt/功能化石墨烯复合物的设计合成及其对甲醇氧化电催化性能[D];福建师范大学;2014年

相关硕士学位论文 前10条

1 吴林宋;直接肼燃料电池镍基阳极催化剂的制备及其性能研究[D];华南理工大学;2018年

2 董珊;高活性高稳定性固体氧化物燃料电池阳极催化剂的模拟与设计[D];河南师范大学;2018年

3 张诗群;直接乙醇燃料电池钯基阳极催化剂合成及其机理研究[D];福州大学;2016年

4 杨志;高稳定性的直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备与研究[D];南京大学;2017年

5 杨淑莉;电解水阳极催化剂的制备及性能研究[D];西安科技大学;2017年

6 周宇;直接甲醇燃料电池阳极催化剂的研究[D];内蒙古工业大学;2010年

7 吴嵩;直接甲酸燃料电池阳极催化剂的研究[D];浙江大学;2010年

8 陈煜;直接醇类燃料电池阳极催化剂的研究[D];南京师范大学;2006年

9 冯德香;直接甲醇燃料电池纳米结构阳极催化剂的研究[D];安徽师范大学;2005年

10 张运茂;基于多孔碳基纳米材料的碱性直接甲醇燃料电池阳极催化剂的制备及电催化性能研究[D];河南大学;2017年

，

本文编号：2648067