多相催化ppt
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催化作用导论第三章多相催化反应动力学
而不能写成：
பைடு நூலகம்
C、反应机理与反应历程： 反应机理：包括吸附、表面反应、脱附等步骤的序 列称反应机理。 如气－固催化反应机理：
（1）反应物分子在催化剂内表面上吸附；
（ 2 ）吸附的反应物分子在催化剂表面上相互作用 或与气相分子作用进行化学反应；
（3）反应产物向催化剂内表面脱附。
所要回答的是，反应机理是吸附控制，表面反应 控制，还是脱附控制？
④ 对含活性组分量不同的催化剂样品进行 TOF值的测量， 可以用来作为判别在速率测量中是否存在如传质和 / 或 传热等影响因素的依据； ⑤ 在相同条件下，对暴露不同晶面或有不同晶粒大小的 催化剂样品的TOF值进行测量，可以用于判别晶体各向 异性的重要性。这一点不论在理论上还是在实际上都是 很重要的信息； ⑥ TOF值对开发潜在的催化剂新材料是非常有用的。
1 dn TOF S dt
n = ξ∙NA＝TON，S — 活性位数。
在实际应用中，常常用单位活性位的时间得率 STY （site time yield）来表示催化反应的速率。该表示法要 求我们除了要测量催化反应速率外，还要求测量催化剂 的分子数或固体催化剂表面上的活性位数目。优势： ① 如果测量催化反应速率的方法和条件以及测量催化剂 活性位的方法有非常充分的描述，那么不同实验室获得 的同一催化剂的TOF值是完全可以重复的； ② 它也能够用来比较在不同催化剂上获得的 TOF值，例 如，同一种金属的不同形式单晶、金属、负载金属，不 同的金属和不同催化材料的催化剂，从理论和反应机理 研究的意义上讲，这样的比较更具有决定性意义； ③ 即便由于活性位数目测量值的较大误差所得到的 TOF 值只是一个近似值，也能马上判断出该催化剂是不是一 个真正的催化剂。如果 TOF值大于 1则是，如果TOF值 等于或小于 1，则仅仅是一个反应试剂，而催化剂能转 化反应物分子的总数目则是对催化剂的潜在寿命的直接 测量；
工业催化课件 -多相催化中的传质与吸附
学
配位型等吸附化学键；
吸 附
吸附热大（80~400kJ/mol），一般是不不可逆的
化学吸附为单分子层吸附，具有饱和性
化学吸附是反应物分子被活化的关键
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.4 反应物分子的化学吸附
C H
PLF为H2在金属表面物理吸附的位能 曲线；
CFH曲线为H原子在金属表面上化学
3.1
多相催化催化反应
多相催化发生在催化剂的表面，因此催化反应包含反应物分子 在催化剂孔内的扩散、表面上的吸附、表面上的反应以及产物分子 的脱附等过程。对于催化剂来说，吸附中心常常就是催化活性中心 。吸附中心和吸附质分子共同构成活性中间物质。
反应物质在催化剂表面上的吸附改变了反应的途径，从而改变 了反应的活化能，没有吸附就没有多相催化，多相催化反应机理与 吸附和扩散机理是不可分割的。
球形催化剂上反应物A的的浓度分布
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.3 内扩散效应与效率因子
1. 效率因子
由于内扩散阻力的存在，在催化剂颗粒的内表面反应物的浓 度小于流体主体中的浓度，所以内扩散阻力使得表观反应速率 低于本征反应速率。
η= 观测的反应速率
本征反应速率
催化剂的颗粒越大、毛细孔越细时，内扩散阻力越大，η值就越 小。
吸附的位能曲线；
F G
L
ΔHp
PLFGH为H2在金属表面的物理吸附 转化为解离型的化学吸附的位能变化
P 与表面
的距离
曲线。
H2在Ni上吸附的位能曲线
（吸附位能和被吸附分子固体表面间的距离关系）
3.1
多相催化催化反应
➢ 3.1.5 表面反应
化学吸附只是催化反应的第一步，吸附物种在表面上还会迁移， 相互反应、脱附等。要使整个反应能够继续进行下去，要求催 化剂对反应物的吸附既不能太牢也不能太弱。吸附太牢不利于 吸附物种进行反应；吸附太弱则会在表面反应发生之前就脱附 （或分子活化不够）。因此，当催化剂对反应物的吸附强度中 等时，催化剂的活性最好。
多相催化
3．影响气—固相催化反应过 ．影响气 固相催化反应过 程速率的因素
由于催化反应是在催化剂表面上进行的， 由于催化反应是在催化剂表面上进行的 ， 所以反应速率应与催化剂表面上反应物 的浓度（ ） 反应温度（ ） 的浓度（C）、反应温度（T）及固体催 化剂的表面结构和性质有关， 化剂的表面结构和性质有关，即 ： r＝ f（C、T、催化剂）
3.2.1 表面质量作用定律
处理表面过程动力学基础是表面质量 作用定律。根据质量作用定律， 作用定律。根据质量作用定律，表面 过程的基元反应， 其反应速率 与反 过程的基元反应 ， 其反应速率r与反 应物的表面浓度（即表面覆盖度） 应物的表面浓度（即表面覆盖度）成 正比， 正比，其覆盖度的指数等于相应的化 学计量系数。 学计量系数。
（2）表面反应为控制步骤时 ）
• 当表面反应为控制步骤时 ， 即第三步骤 当表面反应为控制步骤时， 为速率控制步骤时， 为速率控制步骤时， 它的反应速度为整 个反应的速度。 个反应的速度 。 根据质量作用定律写出 s v 其速度表达式： 其速度表达式：r = k θ θ − k θ θ 向反应速率常数； 向反应速率常数； • θV——未覆盖度，等于1-θA-θB-θR。 未覆盖度， 未覆盖度 等于1
①化学反应为控制步骤； 化学反应为控制步骤； ②吸附或脱附是反应速率的控制步骤； 吸附或脱附是反应速率的控制步骤； 三个步骤的速率相差不大， ③三个步骤的速率相差不大，即不存在速 率控制步骤。 率控制步骤。 • 三种情况表现出不同的动力学规律 ， 下 三种情况表现出不同的动力学规律， 面分别说明三种情况下的速率方程式。 面分别说明三种情况下的速率方程式。
在实际工作中最简单并且广泛应用的 理想表面层吸附模型。 是Langumir理想表面层吸附模型。按 理想表面层吸附模型 此模型，利用Langumir的吸附等温方 此模型，利用 的吸附等温方 程，可以把 值表示为在实验上可直接 可以把θ值表示为在实验上可直接 测定的反应压力的函数， 测定的反应压力的函数 ， 这样就把从 表面质量作用定律获得的动力学方程 与实验数据直接关联起来。 与实验数据直接关联起来。
催化作用导论第三章多相催化反应动力学
有毒有害物质降解
多相催化反应可用于有毒有害物 质的降解，如苯酚、氯代烃等， 降低对环境和生物体的危害。
废气处理
多相催化反应可用于废气处理， 如硫氧化物、氮氧化物等，降低 对大气的污染。
新材料设计与开发
纳米材料
多相催化反应可用于设计和开发新型纳米材料，如金属氧化物、碳 纳米管等，具有优异性能和广泛应用前景。
参数不确定性
动力学模型中的参数可能存在不确定性，如反应速率常数、 活化能等，导致模型预测精度降低。
非线性效应
多相催化反应过程中可能存在非线性效应，如反应级数的 变化、反应路径的改变等，而现有动力学模型难以准确描 述这些效应。
实验与理论研究的挑战
实验技术限制
01
实验测量多相催化反应动力学参数时，受到实验设备、测量精
催化反应的动力学过程和机理。
03 多相催化反应动力学研究 方法
实验研究方法
实验研究是研究多相催化反应动力学的主要手段之一。通过实验，可以测量反应速 率、反应机理、反应路径等重要信息。
实验研究方法包括固定床反应器、流化床反应器、微型反应器等，这些方法可以根 据实验需求选择。
实验研究需要精确控制温度、压力、浓度等实验条件，以确保实验结果的准确性和 可靠性。
分子模拟方法可以模拟分子在 催化剂表面的吸附、扩散、反 应等过程，为实验研究和理论 计算提供支持。
分子模拟方法需要较高的计算 机技术和计算资源，因此需要 不断优化算法和提高计算效率。
04 多相催化反应动力学应用
工业催化过程
1 2 3
石油化工
多相催化反应在石油化工中广泛应用，如烃类裂 解、烷基化、异构化等，提高油品质量和产量。
反应机理
01
02
催化原理气固多相反应动力学基础幻灯片PPT
第三章 催化反响动力学
3.1多相催化反响过程
气固多相催化反响的完成包括以下步骤：
1.反响物自气流的主体穿过催化剂颗粒外外表上 的气膜扩散到催化剂颗粒外外表 2.反响物自外外表向孔内外表扩散
3.在内外表上吸附成外表物种 4.外表物种反响形成吸附态产物 5.吸附态产物脱附 6.吸附态产物 ,直到进入气流主体
K为速率常数，α1、α2等为级数
第下或类似的形式
此式描述的是SO2的氧化，其中A，B为常数，K为反响的平衡常数 基元过程一般服从Arrehnius定律
其中A为指前因子，E为活化能 •在总包反响情况下，总反响速率常数有时在形式上遵从 Arrehnius定律，此时所对应的E称为表观活化能，表观活 化能是否有具体的物理意义视情况而定
第三章 催化反响动力学
第三章气固多相催化反响动力学根底
[教学难点] 1. 两步机理模型的两个假定，三个定 理 2[主. 反要响内区容间] 的识别 1. 多相催化反响过程和外表质量作用定律 2. 化学反响，吸附和脱附为控制步骤的动力学方程 3. 两步机理模型的两个假定，三个定理 4. 外扩散和内扩散对反响动力学的影响 5. 外扩散和内扩散阻滞效应的识别
催化原理气固多相反响动 力学根底幻灯片PPT
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第三章 催化反响动力学
第三章气固多相催化反响动力学根底
其中的吸附、脱附和外表反响是与孔内的扩散同时进展
第三章 催化反响动力学
3.1多相催化反响过程
多相催化反响中的吸附、外表反响和脱附过程: 外表催化过程
多相催化反应基础01
微分吸附热是覆盖度的函数，其变化 关系比较复杂。有三种类型。
类型I，吸附热与覆盖度无关，即吸附热为 常数。这是理想的吸附情况，实际遇到的 较少。此类吸附称为朗格缪尔(Langmuir) 吸附。
Langmuir吸附等温式
Langmuir吸附是一种理想的吸附，它基于以下的假设： ①吸附表面是均匀性； ②吸附分子之间没有相互作用； ③只发生单层吸附 （ q微分与θ的关系为常数）
乙炔的吸附态
形成化学吸附态时，吸附粒子(分子、原子、 离子或基)和催化剂表面可以形成共价键、配 位键和离子键。
催化剂中进入吸附态的成分，可以是催化剂 表面的原子或离子等。
化学吸附态决定产物
反应物在催化剂表面上的不同吸附态，对形 成不同的最终产物起着非常重要的作用。
例如，在乙烯氧化制环氧乙烷反应中认为O2导致生成目的产物环氧乙烷，而O— 则引起深 度氧化生成 CO2 和H2O。
化学吸附态表明吸附物种在固体表面进行化 学吸附时的化学状态、电子结构和几何构型，
化学吸附态和表面反应中间体的确定对揭示 催化剂作用机理和催化反应机理非常重要
研究化学吸附态实验方法
化学吸附态的研究已成为多相催化理论研究 的中心课题之一。
用于这方面的实验方法有：红外光谱（IR〕、 电子光谱、光电子能谱（XPS〕、固态核磁共 振（MAS NMR〕以及质谱（MS〕技术等。
气—固相催化反应中，至少有一种反应 物要吸附在催化剂的表面上。
吸附键的强度要适当，吸附的过强或过 弱都不利于下一步化学反应的进行。如 果催化剂对反应物吸附过强，往往形成 较稳定的表面络合物；吸附过弱，反应 物分子活化不够，不利于反应。
吸附强弱的度量方法
吸附物种与催化剂表面键合形成化学吸 附键的强弱，由反应物与催化剂的性质 及吸附条件决定。
多相催化与催化动力学PPT学习课件
接受电子。K2O把电子传递给Fe后，增加Fe的电子密度，提高了对合成氨反应物之一的氮的活化程度。
47
实验证据： 1）以金属钾作为助剂的Fe催化剂催化活性比K2O作为助剂的高10倍； 2）Fe、Ru对合成氨有催化活性的金属负载在活性碳上却失去了活 性；如果加入金属钾，又产生了活性； 3）调变性助剂给电子能力与催化剂活性之间有规律性联系。
38
还有可能低温下进行烷基加成反应： 在H2O存在下还有可能反应生成醇：
39
金属催化剂活化主要起催化加氢反应。 碱性催化剂活化主要是使烷基芳烃进行侧链烷基化： 非典型酸碱性的金属氧化物催化剂对不饱和烃的活化可能是-键合型的络合活化。
40
2、助催化剂
（1）结构性助催化剂 主要用来增加主催化剂的结构稳定性，以此来提高催化剂的寿命和稳定性，所以又称稳定剂（例如有 些催化剂的活性组分是低熔点金属）。
4
1) 根据有关催化理论（金属能带理论）归纳的参数 金属能带理论
A） d特性百分数：在成键轨道中d轨道占的百分率 称为d特性百分数。 金属的d特性百分数越大，表明电子留在d带中的百分数越多，也就表明d带中空穴 越少。
过渡金属的d带空穴值
5
金属的d特性百分数与其催化活性有一定关系。在金属加氢催化剂中，d特性百分数在40%50%之间为佳。如乙烯在各种金属薄膜上的催化加氢，随d特性百分数增加，加氢活性也增加， Rh > Pd > Pt > Ni > Fe > Ta。
44
判断调变性助剂的常用方法： * 化学吸附强度和反应活化能。
结构件助催化剂并末改变催化剂的表面性质，因而不会改变 反应的总活化能，而调变性助剂使两者都会发生改变。 * 化学吸附强度的变化表现为吸附等温线的不同。
47
实验证据： 1）以金属钾作为助剂的Fe催化剂催化活性比K2O作为助剂的高10倍； 2）Fe、Ru对合成氨有催化活性的金属负载在活性碳上却失去了活 性；如果加入金属钾，又产生了活性； 3）调变性助剂给电子能力与催化剂活性之间有规律性联系。
38
还有可能低温下进行烷基加成反应： 在H2O存在下还有可能反应生成醇：
39
金属催化剂活化主要起催化加氢反应。 碱性催化剂活化主要是使烷基芳烃进行侧链烷基化： 非典型酸碱性的金属氧化物催化剂对不饱和烃的活化可能是-键合型的络合活化。
40
2、助催化剂
（1）结构性助催化剂 主要用来增加主催化剂的结构稳定性，以此来提高催化剂的寿命和稳定性，所以又称稳定剂（例如有 些催化剂的活性组分是低熔点金属）。
4
1) 根据有关催化理论（金属能带理论）归纳的参数 金属能带理论
A） d特性百分数：在成键轨道中d轨道占的百分率 称为d特性百分数。 金属的d特性百分数越大，表明电子留在d带中的百分数越多，也就表明d带中空穴 越少。
过渡金属的d带空穴值
5
金属的d特性百分数与其催化活性有一定关系。在金属加氢催化剂中，d特性百分数在40%50%之间为佳。如乙烯在各种金属薄膜上的催化加氢，随d特性百分数增加，加氢活性也增加， Rh > Pd > Pt > Ni > Fe > Ta。
44
判断调变性助剂的常用方法： * 化学吸附强度和反应活化能。
结构件助催化剂并末改变催化剂的表面性质，因而不会改变 反应的总活化能，而调变性助剂使两者都会发生改变。 * 化学吸附强度的变化表现为吸附等温线的不同。
第三章 吸附作用与多相催化
2、溢流效应（spillover effect）
研究方法：化学吸附态的研究已成为多相催化理论研究的中心课题之一。 用于这方面的实验方法有：红外光谱（IR） 、电子光谱、光电子能谱 （XPS）、固态核磁共振（MAS NMR）以及质谱（MS）技术等。
化学吸附种类
• 解离吸附、缔合吸附 • 解离吸附: • 催化剂表面上许多分子在化学吸附时都会产生化学键的断 裂，因为这些分子的化学键不断裂就不能与催化剂表面吸 附中心进行电子的转移或共享。分子以这种方式进行化学 吸附，称为解离吸附。
物理吸附和化学吸附的区别
物理吸附 吸附力 范德华力 吸附层 单层或多层 选择性 无 热效应 较小，近于 液化热 吸附速度 较快，不受 温度影响， 不需活化能
化学吸附 化学键力 单层 有 较大， 近于化学反应热 较慢，温度升高, 速度加快，需活化能
二、吸附态和吸附化学键
吸附粒子状态：解离与非解离（缔合） 吸附中心状态：单点与多点 相互作用：电子流向与化学键类型 吸附态的多样性：同一种物质在同一固体表面吸附可随条 件不同呈现不同的吸附态。吸附态不同，使催化最终产物 不同 化学吸附态：是指分子或原子在固体催化剂表面进行化学吸 附时的化学状态、电子结构及几何构型。化学吸附态及化学 吸附物种的确定是多相催化研究的主要内容。
(1) 反应物由气体主体向催化剂外表面扩散；
反应物
催化剂外表面
( 1 ) 外扩散
(2) 反应物由外表面向催化剂内表面扩散；
催化剂外表面
催化剂内表面
( 2 ) 内扩散
(3) 反应物吸附在表面上；
催化剂内表面
表面
( 3 ) 吸附
(4) 反应物在表面上进行反应，生成产物；
催化反应若为表面过程控制 （动力学控制）时，从改善 催化剂组成和微观结构入手 ，可以有效地提高催化效率 。动力学控制对反应操作条 件也十分敏感。特别是反应 温度和压力对催化反应的影 响比对扩散过程的影响大的 多。
《催化剂工程》课件
总结词
催化剂工程在现代化学工业中具有重要意义，它能够降低能耗、减少废弃物排放、提高产品质量和经济效益。
详细描述
催化剂工程在现代化学工业中扮演着至关重要的角色。通过研究和开发高效的催化剂，可以降低化学反应的能耗 ，减少废弃物排放，提高产品质量和经济效益。在石油化工、制药、环保等领域，催化剂工程的应用已经取得了 显著的成果。
微乳液法
总结词
一种基于微小液滴的催化剂制备方法
详细描述
微乳液法是将两种互不相溶的溶剂在表面活 性剂的作用下形成微小液滴，并在微小液滴 中制备出催化剂的方法。该方法能够制备出 具有高比表面积、高活性的催化剂，适用于
制备纳米尺度的催化剂。
03 催化剂的表征技术
物理表征技术
扫描电子显微镜（SEM）
观察催化剂的表面形貌和微观结构。
催化剂是一种能够改变反应速率但不改变反应总吉布斯自由能的物质。它可以加速化学 反应的速率，提高产物的选择性。根据性质和用途的不同，催化剂可以分为均相催化剂 和多相催化剂。均相催化剂通常为液态或气态，与反应物处于同一相态；而多相催化剂
则由固态载体和活性组分组成，与反应物处于不同的相态。
催化剂工程的重要性
05 催化剂的未来发展
高性能催化剂的研发
总结词
随着工业生产对催化剂性能要求的不断提高，高性能 催化剂的研发成为未来的重要方向。
详细描述
高性能催化剂的研发主要集中在提高催化剂的活性、 选择性、稳定性和降低成本等方面。通过改进催化剂 的制备工艺、优化活性组分的结构、探索新型载体材 料等方法，可以进一步提高催化剂的性能。
绿色催化剂的研发
要点一
总结词
随着环保意识的日益增强，绿色催化剂的研发成为未来的 重要趋势。
催化剂工程在现代化学工业中具有重要意义，它能够降低能耗、减少废弃物排放、提高产品质量和经济效益。
详细描述
催化剂工程在现代化学工业中扮演着至关重要的角色。通过研究和开发高效的催化剂，可以降低化学反应的能耗 ，减少废弃物排放，提高产品质量和经济效益。在石油化工、制药、环保等领域，催化剂工程的应用已经取得了 显著的成果。
微乳液法
总结词
一种基于微小液滴的催化剂制备方法
详细描述
微乳液法是将两种互不相溶的溶剂在表面活 性剂的作用下形成微小液滴，并在微小液滴 中制备出催化剂的方法。该方法能够制备出 具有高比表面积、高活性的催化剂，适用于
制备纳米尺度的催化剂。
03 催化剂的表征技术
物理表征技术
扫描电子显微镜（SEM）
观察催化剂的表面形貌和微观结构。
催化剂是一种能够改变反应速率但不改变反应总吉布斯自由能的物质。它可以加速化学 反应的速率，提高产物的选择性。根据性质和用途的不同，催化剂可以分为均相催化剂 和多相催化剂。均相催化剂通常为液态或气态，与反应物处于同一相态；而多相催化剂
则由固态载体和活性组分组成，与反应物处于不同的相态。
催化剂工程的重要性
05 催化剂的未来发展
高性能催化剂的研发
总结词
随着工业生产对催化剂性能要求的不断提高，高性能 催化剂的研发成为未来的重要方向。
详细描述
高性能催化剂的研发主要集中在提高催化剂的活性、 选择性、稳定性和降低成本等方面。通过改进催化剂 的制备工艺、优化活性组分的结构、探索新型载体材 料等方法，可以进一步提高催化剂的性能。
绿色催化剂的研发
要点一
总结词
随着环保意识的日益增强，绿色催化剂的研发成为未来的 重要趋势。
多相催化氧化催化化学
l
由于选择性氧化反应的连串性，无法完全将反应控制在目的产物
这一步，所以得到的产物是多种氧化产物的混合物，要想从复杂
的混合物中得到单纯的目的产物，就必须对混合物分离提纯。但 是此时对混合物分离提纯不是简单的过滤、萃取等方法就可以完
成的，需要经过许多繁琐的步骤，消耗大量的人力、物力，有时
对产物的分离甚至要比整个生产过程更消耗资本，这给产品的分 离和纯化带来很大困难，使投资和生产成本大幅度上升。
方法一：化学亲和选择性
本实验室在分析一些选择性氧化反应的特点后发现，其反应物和中 间产物亦即目的产物在物化性质上存在非常明显的差别。
在这种情况下，则可利用反应物和中间产物在物化性质上的差别，
通过调变催化剂的表面性质来控制催化活性中心与反应物或中间产物的 接近几率，进而控制选择性。对此提出了“化学亲和选择性”的概念。
l 二氧化碳排放到空气中会带来“温室效应”，造成全球气候不断
升高，而且由此产生的环境污染问题不是短期内就可以解决的。
l 此外高投入低产出降低了反应的经济性，造成资源大量浪费。
选择性差是上述所有问题的最终症结，提高选择性氧化反应的选择
性迫在眉睫。所以，控制氧化反应深度，提高目的产物的选择性始终是
选择性氧化研究中最具挑战性的难题。
1) 氧化物与烃作用,烃被氧化,氧化物被还原
2) 已被还原的氧化物被气相氧再氧化 催化循环？ 亲核氧化反应(又称烯丙基氧化反应)的特点: -H 被氧化，双键不动 产物与脱氢和插入氧之间的相对速度有关: 前者 > 后者, 生成丁二烯, 反之生成醛等.
5.2.1.2 亲电氧化反应
特点: 断C-C键，富电体系，氧的活化是速度限制步骤；生成 的亲电物种O2-, O- ……，进攻双键，苯环π键，生成-CHO、环氧化 合物、苯酐或完全氧化为CO2+H2O. 1. 氧分子的活化
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电解质
阴极气体 CO2+O2
阴极
12
足够高的催化活性 足够高的孔隙率 一定的电子导电性和离 子导电性 与电解质材料化学相容， 热性能匹配，有一定机 械强度
Tianjin University
固体氧化物燃料电池的工作原理
阳极反应发生在H2，O2-，e三相界面
13
Tianjin University
阳极材料
传统阳极材料
Ni基陶瓷复合材料 发生碳沉积，Ni粒易烧结 阳极催化活性较低 电子电导能力较差
氢燃料电池：50-65 % 碳燃料电池：85 %
燃料电池不受限于卡诺循环效率
表1 普通发电技术和燃料电池发电的污染比较[1]
[1] 韩敏芳,彭苏萍.固体氧化物燃料电池材料及制备
4
Tianjin University
燃料电池的分类
碱性燃料电池（AFC）
质子交换膜燃料电池(PEMFC) 磷酸盐燃料电池(PAFC) 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC） 固体氧化物燃料电池（SOFC）
固体氧化物燃料电池阳极与电解质 材料性能的研究
丁国昌
背景介绍
化石燃料
自然界的绿色植物通过 光合作用储存的能量
化石燃料的过度消耗对环境构 成了严峻挑战
石油
天然气
煤
高效能量转换装置 — 燃料电池
燃料电池：通过电化学反应，将燃料和氧化剂中的化学能直接 转化为电能的装置
理论化学能（热）— 电能转换效率 氢燃料电池：70 % 碳燃料电池：100 % 已实际达到的效率
• 启动时间增加
• 使用寿命降低 解决方案 ： 开发中低温高离子电导材料 传统电解质需要800 oC以上 高温才具有较高的电导率 开发新型电极材料
7
Tianjin University
电解质材料
电解质材料的作用及性能要求
传导氧离子O2足够高的O2-传导性 致密，孔隙率足够小 电子导电性足够小 与电解质材料化学相容， 热性能匹配，有一定机 械强度
• 启动时间增加
• 使用寿命降低 解决方案 ： 开发中低温高离子电导材料 传统电解质需要800 oC以上 高温才具有较高的电导率 开发新型电极材料
11
Tianjin University
阳极材料
阳极材料的作用及性能要求
阳极反应发生场所 阳极燃料气通入场所 转移反应产生的电子 和离子 连接电解质材料， 在高温下工作
Sr2Fe1.5Mo0.5O6-y
15
当用低价元素对A，B位进行元素掺杂时， 为了保持电中性，形成大量氧空位， 提高其氧离子导电性 材料的催化活性和电子导电性主要由B位过 渡金属离子决定
Tianjin University
SFMO材料在阳极气氛下位n型半导体，当通入H2或CO时，由 于H2与CO电离势I<半导体的电子逸出功Ф 形成CpL键， H2与 CO失去电子，阳极得到电子。 所以阳极燃料气实质上为施主能级，对于n型半导体的导电和催 化活性是一种促进作用。
16
Tianjin University
实验过程
单电池的制作
电解质片 的制作 印刷阴、 阳极 涂银浆 安装电池 片
17
Tianjin University
实验过程
SOFC单电池片结构示意图
18
反应夹具示意图
Tianjin University
直接碳燃料电池的构造
_ O2 2CO2+O2
N2
eCO2 +
电解质材料: SDC(Sm0.2 Ce0.8O1.9) + 碳酸盐 阴极材料 :Li-NiO + electrolyte
Cathode: O2 + 4 e- → 2 O2Anode: C + 2 O2- → CO2 + 4 eOverall: C+O2 →CO2 Ions: O2-
碳 + 碳酸盐
阳极 Cathode: O2 + 2CO2 + 4e- → 2CO32Anode: C + 2CO32- → 3CO2 + 4 eOverall: C+O2 →CO2 Ions: CO32-
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Tianjin Univer极anode（Positive-Pole）
电解质（Electrolyte ） 阴极cathod（Negative-pole）
6
Tianjin University
固体氧化物燃料电池实用化的瓶颈
工作温度过高 ( >800 oC) 导 致 • 电池构件材料的选择困难 • 密封难度提高，机械性能降低
Cu基陶瓷复合材料
ZrO2基混合导体
金红石结构阳极材料
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氧离子传导能力较差
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阳极材料
ABO3型钙钛矿结构材料
A位：半径较大，配位数为12的阳离子 如La，Sr，Ba，Ca等 B位：半径较小，配位数为6的过渡金属阳离子 如Ti，Cr，Mn，Fe，Co等
SrFMO阳极材料
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Tianjin University
电解质材料SDC
钐（Sm）掺杂的氧化铈（CeO2）
Ce4+
Sm3+ O2GDC(Ga掺杂 CeO2) YSZ(Y2O3掺杂ZrO2) SSZ(Sc掺杂ZrO2)
O vacancy
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Tianjin University
固体氧化物燃料电池实用化的瓶颈
工作温度过高 ( >800 oC) 导 致 • 电池构件材料的选择困难 • 密封难度提高，机械性能降低
Tianjin University
隔绝阳极气体与阴极气体
维持两极间的高电压
连接电极材料，在 高温下工作
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电解质材料
立方萤石型电解质材料
阳离子按照面心立方排列，配位 数为八，阴离子占据所有的四面 体间隙，配位数为四。这种结构 存在大量八面体空位，有利于离 子的快速传导 Ca2F, ZrO2, CeO2……