科学家发现“自清洁”机制，有效破解固体氧化物燃料电池硫中毒难题

燃料电池是一种电化学装置，可以将燃料中的化学能直接转化为电能。与只能储存电能的电池不同，只要持续供应燃料和空气，燃料电池就可以持续发电。

目前，人们正在探索多种燃料用于燃料电池，但这些燃料在释放电能时的具体化学反应过程非常复杂，且仍未被完全理解。对这些机理认识的不足，是燃料灵活型清洁能源技术大规模应用的重要障碍之一。例如，固体氧化物燃料电池（SOFC）容易受到“硫中毒”影响，即微量硫杂质就会迅速降低系统性能。

近日，来自约翰与玛西娅·普莱斯工程学院（John and Marcia Price College of Engineering）化学工程系的研究人员发现了一种此前未知的蒸汽驱动自清洁机制，能够显著提高固体氧化物燃料电池阳极的抗硫能力。

该研究由副教授Duan Chuancheng与其实验室的研究生Yue Bao领导，研究成果发表在《Journal of the American Chemical Society》上。

研究结果表明，在镍基 SOFC 阳极中加入铑（Rh）元素，会形成双金属纳米颗粒，这些颗粒不仅能够主动抵抗硫中毒，还能在蒸汽作用下自动再生。这一发现首次直接解释了为什么掺铑改性的SOFC阳极在含硫燃料条件下仍能保持稳定性能。对这一机制的深入理解将有助于推动燃料电池在实际应用中的可行性。

在传统镍基SOFC阳极中，即使是极微量的硫杂质（如硫化氢 H₂S），也会迅速使阳极失活，因为硫会与镍形成稳定的镍硫化物（Ni-S），从而覆盖并阻塞阳极表面活性位点。

研究团队通过结合原位高温红外光谱、热化学分析以及电化学诊断技术发现，加入铑后会从根本上改变阳极表面的化学性质。铑的存在削弱了 Ni-S 键的结合强度，同时能够活化水分子，生成具有高反应性的羟基（OH）物种。这些羟基会将吸附在表面的硫氧化为挥发性的二氧化硫（SO₂），随后自然从表面脱附。

实验结果显示，与传统镍基阳极相比，在燃料中含有低于100 ppm H₂S污染的情况下，采用Ni-Rh 双金属催化纳米颗粒的 SOFC 能够保持超过三倍的功率输出，同时极化电阻显著降低。更重要的是，该催化剂在实际运行条件下表现出自再生能力，无需额外的脱硫设备或复杂的再生处理过程。

段传成表示：“这项研究提出了一种设计抗硫电化学材料的新策略。我们证明，催化剂不仅可以被设计为耐硫，还可以在运行过程中主动实现自清洁。”

Yue Bao进一步指出：“除了 SOFC 之外，这一研究成果还为高温催化、电化学能源系统以及燃料灵活型发电技术提供了可推广的见解，尤其适用于天然气、生物气、合成气以及其他含硫燃料的应用场景。”

该研究获得了美国陆军研究办公室（U.S. Army Research Office, ARO）在先进能源材料计划下的资助（项目编号：#W911NF2410391、#W911NF-23-C-0038），表明该技术在国防和关键基础设施高性能电力系统方面也具有重要意义。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c01484?utm_source=chatgpt.com

（素材来自：约翰与玛西娅·普莱斯工程学院 全球氢能网、新能源网综合）