科學家發現“自清潔”機制，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裝置，可以將燃料中的化學能直接轉化為電能。與只能儲存電能的電池不同，只要持續供應燃料和空氣，燃料電池就可以持續發電。

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的具體化學反應過程非常復雜，且仍未被完全理解。對這些機理認識的不足，是燃料靈活型清潔能源技術大規模應用的重要障礙之一。例如，固體氧化物燃料電池（SOFC）容易受到“硫中毒”影響，即微量硫雜質就會迅速降低系統性能。

近日，來自約翰與瑪西婭·普萊斯工程學院（John and Marcia Price College of Engineering）化學工程系的研究人員發現了一種此前未知的蒸汽驅動自清潔機制，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與其實驗室的研究生Yue Bao領導，研究成果發表在《Journal of the American Chemical Society》上。

研究結果表明，在鎳基 SOFC 陽極中加入銠（Rh）元素，會形成雙金屬納米顆粒，這些顆粒不僅能夠主動抵抗硫中毒，還能在蒸汽作用下自動再生。這一發現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定性能。對這一機制的深入理解將有助于推動燃料電池在實際應用中的可行性。

在傳統鎳基SOFC陽極中，即使是極微量的硫雜質（如硫化氫 H?S），也會迅速使陽極失活，因為硫會與鎳形成穩定的鎳硫化物（Ni-S），從而覆蓋并阻塞陽極表面活性位點。

研究團隊通過結合原位高溫紅外光譜、熱化學分析以及電化學診斷技術發現，加入銠后會從根本上改變陽極表面的化學性質。銠的存在削弱了 Ni-S 鍵的結合強度，同時能夠活化水分子，生成具有高反應性的羥基（OH）物種。這些羥基會將吸附在表面的硫氧化為揮發性的二氧化硫（SO?），隨后自然從表面脫附。

實驗結果顯示，與傳統鎳基陽極相比，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，同時極化電阻顯著降低。更重要的是，該催化劑在實際運行條件下表現出自再生能力，無需額外的脫硫設備或復雜的再生處理過程。

段傳成表示：“這項研究提出了一種設計抗硫電化學材料的新策略。我們證明，催化劑不僅可以被設計為耐硫，還可以在運行過程中主動實現自清潔。”

Yue Bao進一步指出：“除了 SOFC 之外，這一研究成果還為高溫催化、電化學能源系統以及燃料靈活型發電技術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用場景。”

該研究獲得了美國陸軍研究辦公室（U.S. Army Research Office, ARO）在先進能源材料計劃下的資助（項目編號：#W911NF2410391、#W911NF-23-C-0038），表明該技術在國防和關鍵基礎設施高性能電力系統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·普萊斯工程學院 全球氫能網、新能源網綜合）