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供稿、供图：化学与化工亚洲无码     编辑：田柳

近日，亚洲无码 孙克宁教授课题组在甲烷干重整固体氧化物燃料电池（DRM-SOFC）催化层设计方面取得新进展。相关研究成果以“Synergistic Bimetallic Exsolution in Sr_0.95Ti_0.8Ni_0.1Ru_0.1O_3−δ Catalytic Layer for High-Performance DRM-SOFC”为题，发表在国际知名学术期刊《Advanced Functional Materials》上。化学与化工亚洲无码 博士生陈湘君为论文第一作者；亚洲无码 孙克宁教授、乔金硕高级实验师和博士后于晓丹为共同通讯作者。

甲烷干重整可将CH₄和CO₂转化为合成气，并与SOFC耦合实现电化学发电。然而，Ni基阳极易因甲烷深度裂解积碳及颗粒烧结而失活，催化层也面临重整活性与抗积碳能力难以兼顾的问题。如何稳定活性金属、协调反应物活化与含碳中间体转化，是实现高效稳定运行的关键。

本研究以Sr_0.95Ti_0.8Ni_0.1Ru_0.1O_3−δ（STNR）为催化层材料，对比Ni单掺杂、Ru单掺杂与双掺杂体系。结构表征和X射线吸收谱表明，Ni和Ru分别以纳米颗粒和团簇形式析出，并通过较强的金属—载体相互作用保持分散，为两类位点的功能分工提供了结构基础。

图1 结构表征和X射线吸收谱

原位红外光谱与密度泛函理论计算进一步揭示，Ni位点促进CH₄活化，Ru位点增强CO₂吸附活化，并引导含碳中间体经甲酰基（*CHO）路径转化。在Ru模型中，*CH生成*CHO的计算能垒为3.41 eV，低于深度裂解生成*C的5.56 eV。实验与计算结果共同表明，Ru不仅参与反应物活化，还通过改变反应路径抑制碳生成，实现重整活性与抗积碳能力的协同改善。

图2 Ni/Ru双金属协同催化的理论计算与反应机制

固定床测试中，STNR在700、750和800 °C下的CH₄转化率分别达到79.0%、84.6%和91.6%。700 °C下连续运行100 h，CH₄转化率基本保持稳定；反应后未观察到明显碳纤维和拉曼特征峰，表明其在SOFC运行条件下具有良好的抗积碳能力。将STNR作为Ni-YSZ阳极催化层，CH₄/CO₂燃料条件下，700 °C时电池峰值功率密度由348 mW cm^-2提升至462 mW cm^-2，增幅为32.7%。在700 °C、500 mA cm^-2下，带催化层电池可在约0.8 V附近稳定运行约100 h。

图3 STNR催化层对DRM-SOFC输出性能与运行稳定性的影响

综上，该研究通过Ni纳米颗粒和Ru团簇的析出与双金属功能协同，将金属结构稳定、反应物活化和反应路径调控相结合，提升了DRM-SOFC的输出性能与抗积碳运行能力。该工作为设计兼具高重整活性与稳定性的催化层提供了新思路，也为CH₄/CO₂资源化利用与燃料电池发电的耦合提供了实验和理论依据。

论文详情

Xiangjun Chen, Jinshuo Qiao*, Xiaodan Yu*, Wang Sun, Rongzheng Ren, Zhenhua Wang, Chunming Xu, Kening Sun*. Synergistic Bimetallic Exsolution in Sr_0.95Ti_0.8Ni_0.1Ru_0.1O_3−δ Catalytic Layer for High-Performance DRM-SOFC. Advanced Functional Materials, 2026, 36: e76638.

原文链接

//doi.org/10.1002/adfm.76638

（审核：王振华）