景德镇陶瓷大学罗凌虹团队在可逆固体氧化物电池直接碳氢燃料应用方面取得突破性进展

近日，景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院与澳大利亚科廷大学等单位合作，在可逆固体氧化物电池直接碳氢燃料应用方面取得突破性进展。研究成果以“Mutual dissolution and exsolution enables superior coking resistance of cermet fuel electrode”（互溶解/出溶实现具有优异抗积碳性能的金属陶瓷燃料极）为题，发表于国际知名学术期刊《Chemical Engineering Journal》（中科院大类一区Top，Impact Factor: 13.4）。研究发现，以超细氧化镍作为原料，通过创新的相互溶解/出溶策略成功将传统的镍基金属陶瓷转化为一种高效燃料电极，显著提升了其抗积碳性和电催化活性（图1）。我校程亮副研究员与北京怀柔实验室周玉存研究员为该文章共同第一作者，我校罗凌虹教授、王乐莹副教授和澳大利亚科廷大学邵宗平教授为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金以及江西省自然科学基金等项目的资助和支持。

可逆固体氧化物电池（Re-SOCs）作为一种最有前途的清洁能源技术，在燃料电池模式下工作时表现出很高的能源效率和很大的燃料灵活性，在与可再生能源（如风能和太阳能）相结合以电解槽运行时，可用于从水或二氧化碳（CO2）中产生绿色燃料。然而传统的镍基燃料电极应用于碳氢燃料发电和二氧化碳电解时存在严重的积碳问题。在本工作中，研究团队采用超细氧化镍作为原料，通过简单的“球磨-煅烧”工艺实现YSZ与NiO的相互溶解。与常规粗NiO粉末相比，超细NiO粉末能够增加YSZ与NiO之间的接触面积，使YSZ在NiO中的扩散距离更短，更利于其溶解。在随后还原过程中，形成了由镍纳米颗粒修饰的 YSZ 以及氧化锆纳米颗粒/薄膜修饰的块体镍复合材料（见图2）。采用密度泛函理论（DFT）计算出溶解于NiO晶格中的Zr原子，是以取代Ni位并伴随Ni空位产生的构型更为稳定。通过X射线吸收精细结构光谱（XANES）对比分析不同NiO基氧化物，结果表明采用简单的“球磨-煅烧”工艺，YSZ和NiO的相互溶解可能只发生在颗粒的近表面区域，进一步验证了采用超细NiO原料最大化促进相互溶出的重要性。

将经“球磨-煅烧”工艺后的NiO+YSZ粉体应用于固体氧化物电池中制备燃料电极。图3显示以LSCF钙钛矿作为空气电极的单电池在750℃、H2下，最大功率密度高达0.97 W cm-2。在湿甲烷（3 vol.% H2O）、0.2 A cm-2的电流密度下，电池可连续工作500小时并保持性能相对稳定。经长期稳定性测试后燃料电极中不仅有YSZ表面上的Ni纳米颗粒出溶，还会促进ZrO2纳米颗粒迁移和融合，在块体Ni表面形成更紧密更完整的ZrO2薄膜层（见图4）。在块体YSZ表面大量的镍纳米颗粒析出是燃料裂解的主要原因，而它们与富氧空位的YSZ基体的强相互作用可显著促进碳的去除。此外，ZrO2薄膜层充分保护了只提供了高电子导电的体相Ni，避免了体相Ni与碳基燃料直接接触形成积碳。这种在煅烧/烧结过程中相互溶解以及后续氢气热处理过程中相互溶出的制造工艺，简单且低成本，可用于大规模制造电极支撑型电池，高效利用碳氢燃料，显著促进Re-SOCs商业化应用于碳中和能源体系。