近日，我课题组博士李田同学在生物质乙醇燃料管式固体氧化物燃料电池（T-SOFC）阳极重整催化剂领域取得重要研究进展。相关成果以题为“High-oxygen vacancy cerium catalysts with NiFe alloy heterostructures: A pathway to efficient and stable biomass ethanol fuel tubular solid oxide fuel cells”发表于Journal of Advanced Ceramics

研究背景与挑战：

化石燃料燃烧效率低且污染严重，虽然风能、光伏等清洁能源快速发展，但受限于高初始成本与环境依赖性。固体氧化物燃料电池（SOFC）因高效率、低排放和燃料多样性，成为实现低碳能源转型的重要技术。其中，生物质乙醇因可再生、易储运等优势，被视为SOFC的理想燃料。然而，传统Ni-YSZ阳极在直接使用乙醇等烃类燃料时容易因不完全重整而积碳，导致活性位点被覆盖、性能衰减。CeO₂基催化剂虽具抗积碳能力，但电子导电性不足、催化活性有限。因此，如何在低浓度乙醇–CO₂条件下提升SOFC阳极催化活性并抑制积碳，是亟需解决的核心问题

创新策略：

本研究采用浸渍–共烧法在Ni-YSZ阳极表面构筑高氧空位CeO₂基–NiFe合金异质结构（R-NFCO）内重整催化层，利用NiFe合金的高催化活性和CeO₂的氧空位特性，实现以下目标：①增强H₂O吸附与活化：DFT计算表明，NiFe合金显著提高了H₂O吸附能（1.04 eV），配合氧空位进一步提升吸附与转化能力。②促进乙醇–CO₂重整反应：催化层有效转化燃料为合成气，提高三相界面反应活性。③抑制积碳、提升稳定性，减少活性位点覆盖。④控制在低成本。

图1：(a)还原前后NFCO粉末的XRD图谱。(b) NFCO粉末的TEM图像和(c) EDS图像。(d)还原前后NFCO粉末的Ce 3d和O 1s光谱

1.XRD：还原前为立方萤石型CeO₂结构，还原后出现NiFe合金衍射峰。

2.TEM/EDS：纳米NiFe颗粒均匀析出于CeO₂基底表面。

3.XPS：还原后Ce³⁺含量由16.5%增至22.5%，表面吸附氧比例提高至38.6%，证明氧空位浓度提升，利于催化。

图2：(a) 700℃下不同浓度（5%、10%和15%）C₂H₅OH-CO₂燃料下未还原和还原NFCO的废气组成。(b)不同温度（650℃-800℃）下，C₂H₅OH-CO₂燃料浓度为10%时，未还原NFCO和还原NFCO的废气组成。（c-d）对应的乙醇转化率。

1.700 ℃下，随燃料浓度提升，H₂与CO产量增加，还原后的R-NFCO产气量更高。

2.乙醇转化率显著提升，证明NiFe合金活性位点促进C₂H₅OH与CO₂转化。

图3： (a)管状电池的结构。(b)SEM截面微观结构和重整层的微观结构。(c)在800 ~ 600℃的H₂ （~ 3% H₂O）气氛下，无重整层单体电池的I-V-P曲线和(e) EIS曲线。(d)有重整层的电池的I-V-P和(f) EIS曲线。(g)文献中管状电池在氢气气氛下最大功率密度的比较。(h)湿氢气气氛热循环试验

1.截面SEM显示阳极、AFL、YSZ电解质、GDC阻挡层和LSCF-GDC阴极界面致密结合。

2.在H₂燃料下，带催化层的电池功率密度略优于对照组，并在热循环测试中表现出优异稳定性。

图4： (a) R-NFCO材料对C₂H₅OH-CO₂燃料的催化机理图。(b)不同浓度C₂H₅OH-CO₂气氛下无重整层的I-V-P和(c) EIS曲线。(d)有重整层的I-V-P曲线和(e) EIS曲线。

1.在700 ℃下，带催化层的功率密度分别达到538、614、608 mW·cm⁻²（5%、10%、15%），均高于无催化层电池。

2.EIS分析显示催化层显著降低极化阻抗，尤其在高频过程（P4峰）改善明显。

图5： (a)有重整层和没有重整层的电池在700℃、10%浓度下100 h的长期稳定性。(b)有重整层和没有重整层的电池阳极表面拉曼光谱。(c)无重整层和(d)有重整层的电池在100 h长期过程中的废气组成。（e-f）模拟操作条件下气体摩尔浓度分布

1.100 h放电测试中，带催化层的电池性能无明显衰减，对照组明显下降。

2.Raman表征表明无催化层电池D/G峰比更高（积碳更多）。

3.气相色谱与COMSOL模拟一致：催化层电池H₂、CO浓度更高，CO₂浓度更低，反应更充分。

图6 (a) NFCO还原前后的FTIR；(b) CeO₂、CeO₂- O_v、CeO₂-NiFe和CeO₂- Ov -NiFe材料上的H₂O吸附能和(c)电荷密度差

1.FTIR：催化剂表面具高亲水性与–OH形成能力。

2.DFT：NiFe合金与氧空位协同显著提升H₂O吸附能与电子转移能力，抑制积碳。

总结：

本研究提出的高氧空位CeO₂–NiFe合金异质结构内重整催化层，成功在低浓度乙醇–CO₂燃料下显著提升管式SOFC的功率密度（最高614 mW·cm⁻²）与稳定性，并有效抑制积碳。机制上，NiFe合金提供高效重整活性位点，CeO₂氧空位促进H₂O吸附与积碳去除，二者协同优化了燃料转化与气体输运。这一策略为SOFC在可再生液体燃料条件下的高性能、长寿命运行提供了新思路，也为低成本抗积碳催化材料设计提供了参考。

论文信息：

第一作者：李田

通讯作者：凌意瀚；高源

题目：High-oxygen vacancy cerium catalysts with NiFe alloy heterostructures: A pathway to efficient and stable biomass ethanol fuel tubular solid oxide fuel cells

Journal of Advanced Ceramics，2025，14: 9221143.

DOI: 10.26599/JAC.2025.9221143

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