《高溫電氣轉化池中介尺度結構和過程耦合機理的研究》是袁金良為項目負責人，寧波大學為依託單位的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：高溫電氣轉化池中介尺度結構和過程耦合機理的研究
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：袁金良
- 依託單位：寧波大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
工作在 600-800oC 的電氣轉化池（SOC）可以共電解 H2O/CO2 生產 CO/H2 合成氣或以 CO/H2 為燃料直接發電，是一種極具前景的CO2減排和新能源消納技術。其電極中的多功能材料顆粒/孔的結構多為亞微米到微米量級，是典型的介觀尺度。本項目研究SOC可雙向操作的電極中複雜結構和物理化學過程的耦合，包括：析氫/氧活性電極新型催化劑材料表界面和介觀結構表征; CO/H2 電化學和 CO2/H2O 共電解催化反應的機理; 催化劑顆粒表面反應和電化學耦合機理; 多相反應和傳遞過程協同作用機理和強化。本項目致力於開發粒子介觀模型和先進的實驗方法理解多相反應過程中存在的複雜結構的耦合問題，探索材料-結構-反應-多相傳遞過程協同作用機理和強化規律，提升我國的能源利用效率和CO2減排。
結題摘要
本項目以可逆固體氧化物燃料電池（SOC）為研究對象，採用實驗、驗證和模擬相結合的研究方法，開展電極材料合成、物性表征、性能測試和分析，對介尺度電極的結構、反應過程與電極傳遞過程的耦合進行了理論分析。本項目集材料表界面和顆粒聚團的結構研究、方法驗證及模型套用於一體，以反映材料特性的原子尺度分子動力學模型描述介尺度的反應/傳遞過程耦合，具有一定的特色。在實驗方面，採用溶膠凝膠法製備了La0.3Sr0.7TiO3 (LST)、Sr0.88Y0.08TiO3 (YST)燃料極材料，並在B位摻雜Ni和浸漬銅改善LST和YST的電導率、催化活性和抗積碳性能。以YST為燃料極的SOC最高功率密度可達87 mW/cm2，運行100小時後性能衰減和積碳現象均不明顯；採用原位複合工藝開發出了具有較高雙功能氧催化活性的Sr0.5Sm0.5CoO3-Gd0.2Ce0.8O2-x（SSC-GDC）複合催化劑，並作為空氣極製備了SOC的單體電池，最大功率密度達0.244 W/cm2，且在H2/H2O下具有良好的充放電性能和穩定性。在模擬方面，結合CG-MD勢函式並開展了微尺度電極結構的燒結模擬，討論了LST與GDC納米糰的互動機制、介尺度顆粒體系在燒結過程的演變規律。基於弛豫後的穩定結構，表征了微孔結構與物性的參數，研究了燒結過程中的材料配比、工藝參數等調控機制對表面積損失、三相界面長度的影響規律。基於介尺度電極結構，建立了表面催化機理與反應動力學以及表面成分的介尺度擴散模型。通過擴散和源項參數的局域平均，實現了與巨觀電極過程多物理場傳遞模型的跨尺度耦合。探索了多相表面成分分布、多步基元反應和巨觀多物理場之間的相互影響、介尺度微孔結構特徵對動態可逆性能影響規律，以及電極結構、多模式轉化、工況參數等控制因素的敏感性和動態性能的時效規律，並提出最佳化策略。本項目的研究結果可對催化劑的製備、 SOC雙向操作時催化層介尺度結構和物理化學過程的耦合分析、電極結構設計與工藝參數的選擇具有重要指導意義，探索了一條關聯介尺度結構和巨觀性能的新途徑。該項目的研究方法具有推廣價值，也具有較高的學術意義。
