通过原位拉曼光谱探究钆掺杂的氧化铈、氧化镍及其金属陶瓷复合材料的还原动力学

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图1 纯相的NiO (a)和CGO (b)在潮湿和干燥的还原气氛下的拉曼峰强随时间的变化曲线(左);CGO-NiO复合材料的氢溢出过程机理图(右)。

钆掺杂的氧化铈(gadolinium doped ceria, CGO)在用于太阳能生产一氧化碳和氢气、固体氧化物燃料电池(SOFCs)和固体氧化物电解槽(SOECs)等方面具有很好的应用前景。氧化镍(NiO)也由于其催化特性,被广泛研究于上述领域。CGO和NiO的金属陶瓷复合材料则是构成SOFCs和SOECs电极的主流材料之一。在SOFC和SOEC体系中,CGO和NiO很容易被还原,这是该体系面临的一个严重的问题。因此,探究该体系中材料表面被还原的机理变得尤为重要。

长期以来,针对SOFC中的阳极材料,许多研究者通过热重、X射线衍射、扫描电镜和X射线断层摄影等测试手段进行了机理研究。然而,这些测试方法难以针对材料的活性表层进行表征,且无法在反应过程中获得实时的反应动力学信息。原位拉曼光谱则是对具有化学活性的表面上所发生的化学反应过程进行原位研究的一种理想的工具。

来自伦敦帝国理工学院的Robert C. Maher等人通过该手段探究了CGO、NiO和CGO-NiO金属陶瓷的表面,在分别暴露于干燥和潮湿的还原气氛下的还原反应动力学。该研究表示,金属陶瓷复合材料中NiO的存在,能诱导一些化学反应的发生,如表面吸附水的分解和靠近金属Ni位置的氢的溢出。这些化学反应对上述材料的自发被还原性将产生积极作用,对于改善SOFCs和SOECs的性能有重大意义。相关成果以快报的形式发表于近期的Advanced Science上。

About 麦 立强

武汉理工大学学科首席教授,博士生导师,材料科学与工程试点学院执行院长。课题组主要从事纳米能源材料与器件领域的研究,包括新能源材料、微纳器件、面向能源的生物纳电子界面等前沿方向。更多信息请访问:http://mai.group.whut.edu.cn/cn/home.html