催化剂分布对可渗透阳极微流体燃料电池性能特性影响的研究

微流体燃料电池是一种新型微型电源装置。酸性体系下电池运行时产生的CO₂气泡会严重影响电池性能以及稳定性。研究电池运行过程中气泡动态行为对削弱气泡影响具有重要意义。本文构建具有可渗透阳极的自呼吸微流体燃料电池,实验研究了阳极催化剂分布对电池性能以及CO₂动态行为的影响。结果表明：催化剂分布在阳极两侧时电池性能最好,但电池波动性大。仅在一侧分布催化剂时,电池运行稳定,气泡主要在电解液流道形成。     

阳极和阴极流场组合对直接甲醇燃料电池性能的影响

采用蛇形、平行和交指流场分别作为阳极和阴极流场,考察了其对直接甲醇燃料电池(DMFC)性能的影响。结果表明,对于阳极流场,蛇形流场因其更易于排除CO₂气泡而性能最好,而平行和交指流场中则出现了CO₂气泡堵塞流道的现象,影响了甲醇的传输,性能较差。对于阴极流场,平行流场下半部分流道出现了"水淹"现象,影响了氧气的传输,性能较差。蛇形和交指流场均能顺利排除水滴,性能比平行流场的好;交指流场能保证氧气的充足供应,高电流密度时比蛇形流场的电池性能好。蛇形流场作为阳极流场以及交指流场作为阴极流场将是电池性能较好的流场组合形式之一。     

富氢气体中CO优先氧化催化剂研究进展

以高纯氢为燃料的质子交换膜燃料电池广泛应用于电动汽车,但其阳极容易被富氢气体中含有的少量CO毒化,造成电池性能严重降低。富氢气体在进入燃料电池前,必须进行CO净化处理。优先氧化法是除去富氢气体中少量CO最简单经济有效的方法,常用催化剂主要有Pt系、Au系和Cu系催化剂。着重阐述负载Au催化剂的制备方法、载体调变、助剂改性以及其他因素（如反应气氛中CO与O₂浓度比、水蒸汽和CO₂等）对Au催化剂CO优先氧化反应催化性能的影响。介绍以CuO/CeO₂催化剂为典型的非贵金属氧化物催化剂用于CO优先氧化反应的研究成果以及制备方法、载体和助剂改性等对催化性能的影响和反相结构CeO₂/CuO的催化性能。考虑利用催化剂活性组分,尤其是Au与Cu之间的协同作用,选用合适的载体,进行催化剂组分的设计仍然是今后研究的热点。突破常规无定形金属氧化物作载体,通过设计合成具有特定形貌的载体,研究不同晶面和不同价态等因素对催化剂CO优先氧化催化性能的影响,也是一项很有意义的研究。     

二氧化碳甲烷化催化剂的研究进展

CO₂催化加氢甲烷化反应是温室气体CO₂资源化利用的有效途径之一。本文回顾了CO₂催化加氢甲烷化催化剂的研究现状, 其中Ni基催化剂是研究最为广泛的CO₂甲烷化催化剂。重点介绍了Al₂O₃、SiO₂和La₂O₃载体及CeO₂和La₂O₃助剂等对Ni基催化剂CO₂甲烷化性能的影响, 阐述了载体的结构、电子性能、化学性能和助剂等对Ni基催化剂CO₂甲烷化性能的影响。结合几种非Ni基CO₂甲烷化催化剂的对比研究发现, 具有有序介孔结构的Co基催化剂也表现出了优越的CO₂甲烷化性能。由此表明, 催化剂新颖的结构也是影响CO₂甲烷化性能的重要因素, 通过催化剂结构、组成等的调变, 能实现CO₂低温高效甲烷化, 为CO₂甲烷化工业化进程奠定基础。     

甲醇双氧水单腔体燃料电池II.不同阴极催化剂下的电池性能研究

分别以MnO₂和合成普鲁士蓝(PB/XC-72R)作为催化剂时，考察其对甲醇和双氧水的催化性能，发现两者均可以实现对双氧水的选择性催化。以开发的Z-NiPt为阳极催化剂，以MnO₂与PB/XC-72R为阴极催化剂，组成甲醇双氧水单腔体电池，并测试电池的性能。结果表明：以PB/XC-72R为阴极的单腔体燃料电池的最大功率可达9.1 mW。该研究验证了甲醇单腔体新型燃料电池的可行性，为后续甲醇双氧水单腔体燃料电池开发奠定了基础。     

固体氧化物燃料电池Cu/Ni-LSCM阳极中n(Cu)/n(Ni)对碳沉积影响数值模拟研究

固体氧化物燃料电池(SOFC)使用碳氢化合物为燃料时,多孔阳极易出现严重的积碳的现象,导致阳极催化活性降低,电池功率密度下降以及电池寿命急剧衰减。铬酸镧基钙钛矿材料在高温氧化和还原气氛下具有较好的稳定性、电催化活性和抗积碳性能。建立LSCM以及Cu/Ni-LSCM中CH₄与CO₂干重整动力学模型,模型耦合了动量传递、质量传递、化学反应动力学、域微分方程以及气体在多孔介质中的传质模型,并利用该模型研究了Cu/Ni-LSCM阳极材料的抗积碳性能、催化活性以及孔隙率随时间的变化情况。得出结论:Cu的引入可以明显降低碳沉积速率,在一定基础上增加燃料转化率。其中CH₄热分解是形成积碳的主要原因。与此同时,模拟结果显示阳极燃料入口处为碳沉积最为严重的区域。     

CO2近零排放的光煤互补耦合SOFC发电系统热力学分析

基于超临界水煤气化合成气的成分特征,提出了一种新型CO₂近零排放的太阳能驱动超临界水煤气化耦合固体氧化物燃料电池(SOFC)发电系统。太阳能用于加热气化室给水以及提供煤气化反应热,气化合成气进入SOFC发电,SOFC阳极排气与纯氧在燃气轮机燃烧室内发生燃烧反应,产物为CO₂/H₂O混合物,易于实现CO₂的分离捕集。研究了气化室内煤浆浓度、SOFC工作温度以及重整温度等关键参数对系统性能的影响规律,揭示了系统能量能质的分布规律及转移转化机制,上述参数分别为11.3%(质量)、1000℃以及750℃时,系统的发电效率可达到47.59%。该研究通过煤炭化学能与太阳能的互补梯级利用,结合SOFC内电化学反应及燃烧室内富氧燃烧技术,实现了CO₂近零排放,对实现双碳目标具有重要意义。     

钙钛矿阳极固体氧化物燃料电池在CO–CO2燃料下的性能和稳定性

以原位析出纳米Co–Fe颗粒的La_0.4Sr_0.6Co_0.2Fe_0.7Nb_0.1O_3–δ(LSCFN)钙钛矿为阳极,考察了直接使用CO–CO₂燃料时的阳极结构演变、单电池电化学性能和稳定性。结果表明:在CO燃料中,ABO₃钙钛矿结构LSCFN转变为A₂BO₄层状钙钛矿结构;在CO中引入少量CO₂后,LSCFN则以单钙钛矿结构为主,并有效抑制了碳沉积。单电池在CO燃料下的最大功率密度可达0.6 W/cm²(850℃),并在n(CO):n(CO₂)=5:1(摩尔比)燃料下运行超过100 h。     

受限空间内浮升气泡与液体间传质行为实验研究

采用紫外诱导荧光(UIF)实验方法,研究Hele-Shaw狭缝受限尺度对受限空间内浮升气泡流体力学与气液传质行为的影响。实验中以二苯并[b,e]吡啶作为荧光剂实现了受限空间内CO₂溶液浓度分布及其气泡运动速度的定量测量,获得了CO₂在受限空间内运动过程中的传质量和气泡动力学参数,并分别计算气泡受限空间内液膜区和自由接触区的传质速率。分析得到受限空间中不同狭缝宽度内CO₂的传质行为,分析了受限尺度对CO₂-水体系传质过程的影响。     

受限空间内浮升气泡与液体间传质行为实验研究

采用紫外诱导荧光(UIF)实验方法,研究Hele-Shaw狭缝受限尺度对受限空间内浮升气泡流体力学与气液传质行为的影响。实验中以二苯并[b,e]吡啶作为荧光剂实现了受限空间内CO₂溶液浓度分布及其气泡运动速度的定量测量,获得了CO₂在受限空间内运动过程中的传质量和气泡动力学参数,并分别计算气泡受限空间内液膜区和自由接触区的传质速率。分析得到受限空间中不同狭缝宽度内CO₂的传质行为,分析了受限尺度对CO₂-水体系传质过程的影响。     

Electrocatalytic reforming of carbon dioxide by methane in SOFC system

The reaction of carbon dioxide catalytic reforming with methane is an attractive route because these greenhouse gases can be converted into variable feedstocks. However this reaction is a highly energy consuming and coke forming process. These problems were improved by the electrocatalytic reforming of CO₂ with CH₄ in a solid oxide fuel cell (SOFC) membrane reactor system, which generates high electrical power and synthesis gases. The single cell consists of catalyst electrode (NiO–MgO), counter electrode ((La,Sr)MnO₃) and Y₂O₃ stabilized ZrO₂ (YSZ) electrolyte. The reaction rates of CO₂ and CH₄, and the electrochemical properties were investigated by an on-line GC and impedance-analyzer under open- and closed-circuit conditions, respectively. It was found that reaction rates of CO₂ and CH₄ under the closed-circuit condition were more stable than those of the open-circuit. The results were interpreted that the stability of catalyst anode was maintained by the reaction of oxygen ion transferred from the cathode with the surface carbon formed in the internal CO₂ reforming by CH₄ in SOFC system.     

Solid oxide fuel cells in combination with biomass gasification for electric power generation

Biomass, a source of renewable energy, represents an effective substitute to fossil fuels. Gasification is a process that organics are thermochemically converted into valuable gaseous products(e.g. biogas). In this work, the catalytic test demonstrated that the biogas produced from biomass gasification mainly consists of H_2,CH_4, CO,and CO_2, which were then be used as the fuel for solid oxide fuel cell(SOFC). Planar SOFCs were fabricated and adopted. The steam reforming of biogas was carried out at the anode of a SOFC to obtain a hydrogen-rich fuel.The performance of the SOFCs operating on generated biogas was investigated by I–V polarization and electrochemical impedance spectra characterizations. An excellent cell performance was obtained, for example,the peak power density of the SOFC reached 1391 mW·cm~(-2) at 750℃ when the generated biogas was used as the fuel. Furthermore, the SOFC fuelled by simulated biogas delivered a very stable operation.     

电化学耦合阴极二氧化碳还原与阳极氧化合成

电催化二氧化碳还原（CO₂RR）利用电场作用在温和的条件下将二氧化碳转化为高值化学品。将CO₂RR与热力学电势较低的阳极反应耦合,可以降低槽电压,在阳极和阴极同时生成高值化学品,提高能量效率。本文介绍了CO₂RR与氧化合成反应耦合策略,探究了电解池、离子交换膜等电解装置对CO₂RR耦合电催化性能的影响,归纳了常用于CO₂RR耦合氧化合成体系中阴阳极电催化剂的种类,重点综述了CO₂RR与氯碱过程、醇类和含氮有机物氧化等典型阳极氧化合成反应耦合的最新进展。最后,针对目前存在的阳极催化剂成本高、全电解阳极产物的分离检测困难、反应物转化率低等问题,提出开发更加高效、稳定和低成本的阳极电催化剂、升级电极结构和电解装置以及拓展新型CO₂RR耦合体系等是未来的研究方向。     

Ce掺杂La0.7Sr0.3Cr0.5Fe0.5O3-δ材料的制备及其电化学性能

近年来化石燃料大量消耗导致环境污染日益严重,固体氧化物电解池(SOEC)能够高效、环境友好地将CO₂转化为CO等高附加值化学品,因此受到广泛关注。开发高效稳定的SOEC需要采用性能优异的电极材料,La_0.7Sr_0.3Cr_0.5Fe_0.5O_3-δ(Sto-LSCrF)钙钛矿氧化物因其优异的氧化还原稳定性受到了高度重视。为进一步提高Sto-LSCrF燃料电极材料电解CO₂的能力,在Sto-LSCrF的A位掺杂Ce来调控Ce_0.08La_0.62Sr_0.3Cr_0.5Fe_0.5O_3-δ(Ce-LSCrF)中可移动氧空穴含量以便提高其对CO₂的吸附/活化能力,进而改善其电化学性能。同时对材料的相结构、氧空穴含量以及其对CO₂的吸附/脱附能力进行详细的表征和分析。此外,我们还探究了Ce-LSCrF的电化学性能,发现与Sto-LSCrF相比,Ce-LSCrF燃料电极表现出较高的电解性能,也显示出较好的恒压稳定性,电解性能的增强归因于Ce-LSCrF晶格中较多的可移动氧空位可有效吸附/活化CO₂,以上试验结果表明Ce-LSCrF是性能优异的CO₂电解材料。     

直接利用生物质的化学燃料电池研究进展

近些年燃料电池技术有了长足的发展,利用燃料电池处理废弃生物质并产电是一种新型途径,可以达到废物处理、能源回收的目的。然而,受限于燃料种类、电池性能、产物分离等因素,传统的燃料电池难以直接用于处理废弃生物质。本文首先针对中低温燃料电池如碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池的研究现状进行了综述,结果表明,碱性燃料电池在以小分子有机物作为燃料时性能良好,但是容易受到产物CO₂酸化影响;液相催化燃料电池在催化剂耐受性、生物质处理、电池功率密度等方面表现出优异的性能。然后介绍了电催化剂如过渡金属氧化物、多酸等研究现状,此类催化剂具有较强的氧化性、布朗斯特酸性和路易斯酸性等,具有很强的催化分解生物质的能力,针对液相催化剂不易分离的局限,介绍了催化剂固载化、纳米复合材料等研究进展。之后介绍了电极材料和膜材料的研究进展,碳极板因其综合性能和成本成为当前的主流选择,全氟磺酸膜性能优异,成为实验探究应用的理想材料,同时对一些复合材料的研究现状进行了简要介绍。最后,对化学燃料电池应用于生物质处理的方向进行了展望,液相催化燃料电池综合性能突出,在可处理生物质种类、催化剂循环等问题进一步优化之后,有望成为一种废弃生物质处理的新途径。     

Ni/Al_2O_3催化剂的CO_2-TPD表征

Ni/Al_2O_3催化剂是甲烷二氧化碳重整反应制取合成气研究最多、最具应用潜力的一种催化剂。通过对催化剂进行CO_2-TPD研究,考察还原态Ni/Al_2O_3催化剂的CO_2脱附特性。结果表明,浸渍法制备的Ni/Al_2O_3催化剂CO_2脱附曲线呈现双峰,分别在(60~65)℃和(350~380)℃出现高低温两个活性位;高温CO_2吸附量为3.0 cm~3·g~(-1),低温CO_2吸附量为24.0 cm~3·g~(-1)。催化剂的CO_2吸附量与其Ni含量无关。考察选用不同载体的CO_2脱附行为,发现以Al_2O_3为载体的催化剂CO_2吸附量是MgO和SiO_2为载体催化剂的2~4倍,以TiO_2为载体的催化剂几乎不吸附CO_2。     

Co3O4镀银对BH4-水解的抑制及在DBFC中的应用

硼氢化物水解是导致直接硼氢化物燃料电池（DBFC）燃料效率下降的主要问题之一。将Co₃O₄用于DBFC阳极催化剂并通过镀银处理以降低水解反应。以CoCl₂·6H₂O为原料制备Co₃O₄，并通过银镜反应对其进行镀银处理，制得Co₃O₄@Ag。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱（EDS）对其进行物理表征，通过交流阻抗（EIS）、计时电流（CA）和电池测试对其电化学性能进行表征。结果表明，利用银镜反应成功地将Ag引入到催化剂体系，且Co₃O₄@Ag催化材料的含银量为2%。电化学测试表明，与Co₃O₄相比Co₃O₄@Ag具有更高的电催化活性。以Co₃O₄@Ag为阳极催化剂组装的燃料电池在室温下最大功率密度（55 mW·cm^-2）和比容量（971 mA·h·g^-1）较Co₃O₄分别提高了44.7%和32.1%，阳极催化剂性能得到显著提高。Ag在抑制水解反应的同时与Co₃O₄体现了协同催化的作用。     

The highly selective catalytic hydrogenation of CO2 to CO over transition metal nitrides

Three transition metal-like facet centered cubic structured transition metal nitrides, γ-Mo₂N, β-W₂N and δ-NbN, are synthesized and applied in the reaction of CO₂ hydrogenation to CO. Among the three nitride catalysts, the γ-Mo₂N exhibits superior activity to target product CO, which is 4.6 and 76 times higher than the other two counterparts of β-W₂N and δ-NbN at 600 ℃, respectively. Additionally, γ-Mo₂N exhibits excellent stability on both cyclic heating–cooling and high space velocity steady state operation. The deactivation degree of cyclic heating–cooling evaluation after 5 cycles and long-term stability performance at 773 and 873 K in 50 h are all less than 10%. In-situ XRD and kinetic studies suggest that the γ-Mo₂N itself is able to activate both of the reactants CO₂ and H₂. Below 400 ℃, the reaction mainly occurs at the surface of γ-Mo₂N catalyst. CO₂ and H₂ competitively adsorbe on the surface of catalyst and CO₂ is the relatively stronger surface adsorbate. At a higher temperature, the interstitial vacancies of the γ-Mo₂N can be reversibly filled with the oxygen from CO₂ dissociation. Both of the surface and bulk phase sites of γ-Mo₂N participate in the high temperature CO₂ hydrogenation pathway.