钇稳定二氧化锆的抗硫中毒机制研究

【摘要】固体氧化物燃料电池(SOFCs)因具有燃料适应性广、能量转换效率高、零污染、全固态和模块化组装等优点已成为一种很有发展前景的能量转换装置，可用于发电、交通、航空和其他许多领域，被称为21世纪的绿色能源之一。然而燃料中含有的各种各样的含硫污染物，例如H2S等，能够在阳极表面发生反应使阳极产生硫中毒，从而使电池性能丧失，这是燃料电池存在的问题之一。如SOFCs的Ni-YSZ阳极表面常因出现硫中毒现象而失去活性，从而引起人们的关注。本文基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理方法，采用VASP计算程序包，结合缀加平面波赝势法、过渡态搜索方法及第一性原理热力学方法，研究了YSZ（111）表面及其富氧表面YSZ+O（111）的抗硫中毒机制。主要进行了以下三方面的工作：1.H2S在YSZ（111）表面上的吸附利用基于DFT的第一性原理方法计算了H2S、SH和S原子在YSZ（111）表面上的吸附以及H2S的解离机制。结果表明，H2S和SH被弱束缚在YSZ表面上，而S原子与YSZ表面则有很强的相互作用，被束缚在表面氧原子上与之相结合形成oxido-sulfate（SO2-）物种。过渡态搜索方法分析H2S在YSZ（111）表面的解离表明H2S第一步解离生成SH+H是很容易的，而共吸附的H将阻碍SH的进一步解离。反之，从SH脱氢的反向势垒发现吸附S原子的氢化却是很容易的。由此可知，YSZ（111）表面的硫中毒将受到共吸附的氢的阻碍。2.H2S在YSZ+O（111）表面上的吸附在富氧的YSZ+O（111）表面上，H2S和SH均存在着分子吸附和解离吸附两种方式，H2S在YSZ+O（111）表面很容易解离，解离势垒仅有0.5eV，解离的S原子在表面上存在着SO分子和次硫酸根（SO22）两种稳定的吸附种类，这将阻碍燃料氧化的活性位使YSZ+O产生硫中毒。此外利用第一原理热力学方法研究硫中毒的YSZ+O（111）表面再生或去硫化过程得出，可以通过加入O2和H2O等氧化剂的方法，氧化进而除去吸附在表面的硫原子。3.SO2在YSZ（111）表面的吸附和氧化首先利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了SO2与YSZ（111）表面以及富氧的YSZ+O（111）表面的相互作用，研究结果表明：在YSZ（111）表面上，SO2除了分子形式的物理吸附外，还与表面氧离子束缚形成SO32-物种；而在YSZ+O（111）面上，除了上述吸附外，还生成SO3分子和SO42-物种；所有形成的SOx物种（其中x=24）都很强地束缚在YSZ表面上，使表面中毒。最后利用第一原理热力学方法研究了外界环境，例如温度或SO2分压对SO2YSZ/YSZ+O体系的影响。结果表明，在相同的外界条件下，YSZ+O表面比YSZ表面更易于硫中毒。本文通过研究YSZ（111）表面的硫中毒过程以及再生机制，以期为进一步探究SOFCs工作条件下YSZ表面的抗硫中毒方法提供一定的理论参考。通过SO2和YSZ表面的相互作用分析，我们可以更深入地理解SOFCs阳极材料YSZ部分产生硫中毒的微观机制。
【作者】楚兴丽；
【导师】杨宗献；
【作者基本信息】河南师范大学，理论物理，2014，博士
【关键词】固体氧化物燃料电池；第一原理热力学方法；钇稳定的氧化锆；硫中毒；表面再生；

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