固体氧化物燃料电池中Ni-YSZ阳极上的直接氨氧化反应机理及选择性

《ACS Catalysis》：The Direct Ammonia Oxidation Reaction Mechanism and Selectivity on Ni-YSZ Anodes in Solid Oxide Fuel Cells

氨作为高氢能载体在固体氧化物燃料电池中的应用受限于阳极催化剂直接氧化路径研究不足。本研究通过Ni-YSZ模型系统揭示，氧空位形成能是调控直接氧化路径选择性的关键因素，调节三相界面的氧化学势可提升电子转移效率。同时发现N*表面吸附和活性位点占据是阳极降解的主因。该成果为燃料电池阳极催化剂设计提供了新策略。

　　

氨（NH₃）因其高氢含量而成为基于氢能源经济的一个有前景的候选物质。尽管在减缓阳极降解方面取得了进展，但氨在固体氧化物燃料电池中的应用仍受到主要研究重点——催化分解活性优化——的限制，人们忽视了直接氧化途径的作用。为了解决阳极催化剂性能的这一限制，本研究采用Ni-YSZ作为模型系统，探讨了不同条件下的氨氧化机制，并确定了影响反应途径活性和选择性的关键因素。热力学分析和微观动力学建模表明，在典型的操作条件下（包括活化过电位、温度和H*覆盖度），直接氨氧化途径更为有利。重要的是，三相边界处的氧空位形成能被确定为控制该途径活性和选择性的关键因素。调节三相边界（TPB）处的氧化学势可以加速电子从O_TPB向Ni的转移，从而提高直接氧化途径的选择性。此外，阳极降解与N*在表面的积累以及活性催化位点的占据有关。这些发现为理解阳极氧化机制提供了全面的认识，并建立了一种基于描述符的策略来优化反应途径的选择性，从而能够合理设计先进的阳极催化剂，以减少直接氨固体氧化物燃料电池（DA-SOFCs）中的能量损失。