《Ni基金屬陶瓷在CH4/O2混合氣氛中氧化-還原及失效機理研究》是依託哈爾濱工業大學，由王志紅擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：Ni基金屬陶瓷在CH4/O2混合氣氛中氧化-還原及失效機理研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：王志紅
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
Ni基金屬陶瓷是固體氧化物燃料電池（SOFC）中最主流的陽極材料，但其在高溫燃料和氧氣混合氣氛中會發生頻繁的氧化-還原，這是導致以混合氣體為燃料SOFC性能振盪和快速衰退的主要原因。本項目將主要開展兩方面的研究：（1）通過系統的實驗研究，觀測Ni基金屬陶瓷在CH4/O2混合氣氛中的氧化-還原速率和進行方向隨溫度、燃氧比、自身組分和微結構的演變現象，結合理論分析，闡明其在混合氣氛中氧化-還原的規律及內在物理與化學機理；（2）綜合利用多種實驗手段，分析Ni基金屬陶瓷由於頻繁氧化-還原而導致的組分、微結構和幾何尺寸的改變，明確其失效機理。希望本項目的實施能夠為提高Ni基金屬陶瓷材料在混合氣氛中的抗氧化-還原性供科學依據，為其他金屬催化劑在混合氣氛中氧化-還原研究提供科學借鑑，並豐富非線性化學振盪的研究內容和理論內涵。
結題摘要
Ni基金屬陶瓷是固體氧化物燃料電池（SOFC）中最主流的陽極材料，但其在高溫燃料和氧氣混合氣氛中會發生頻繁的氧化-還原，這是導致以混合氣體為燃料SOFC性能振盪和快速衰退的主要原因。我們主要進行了兩個方面的研究並取得了一些重要研究成果。（1）在電池振盪和失效機理方面。我們首創了電池電化學性能，陽極區域電阻和電極催化性能同步原位測試技術，將電池性能的變化和陽極中Ni狀態改變直接聯繫起來，直接證明了 Ni的氧化-還原是電池性能振盪的主要原因。研究結果還表明 CH4和O2的比例，操作溫度以及陽極厚度是影響Ni-YSZ陽極氧化還原和衰退的關鍵因素。確定Ni-YSZ陽極多次氧化還原以後，金屬Ni逐步趨於氧化和Ni顆粒發生的不可逆的細化、團聚和陽極機械破裂是電池性能不可逆衰退的主要原因。這些研究為理解SC-SOFC性能振盪現象，提高Ni基金屬陽極在混合氣氛中抗氧化-還原穩定性，有重要的指導意義；另外我們從提高電極催化性的角度出發，開發出在CH4-O2混合氣氛中具有良好電化學性能和強抗氧化-還原性穩定性的CeO2-Ni-YSZ微納米複合陽極。(2) 氧化-還原導致鎳微觀結構改變方面。我們在SC-SOFC 的研究中發現，當Ni、Ag 和Cu 等金屬直接暴露在CH4-O2 的混合氣氛中時，微納米多孔化結構會迅速在金屬上原位形成。我們以此驚奇發現為起點，首創了利用混合氣體構築微納米多孔金屬的新策略。將製備的含有微納米多孔結構的泡沫鎳和鎳片都套用到超級電容器領域，極大地提高了電容器電極的電化學性能和穩定性。該研究從氣體和固體相互作用的角度出發，提出了新的微納米多孔結構製備技術，具有廣泛的套用前景。
