直接甲烷固体氧化物燃料电池（CH₄-SOFC）因其天然气（NG）的主要成分甲烷价格便宜且广泛使用且天然气基础设施相对成熟而受到广泛关注。然而，在中间温度（例如600−650°C）下，当前的CH₄-SOFC在低蒸汽碳比（S/C比）下性能低且耐用性差，这归因于镍基阳极催化活性低，易结焦。

在此，在密度泛函理论（DFT）研究的指导下，堪萨斯州立大学Chuancheng Duan，Bin Liu开发了一种高活性和耐结焦的蒸汽甲烷重整（SMR）催化剂——Sm掺杂CeO₂负载Ni−Ru（SCNR）。

文章要点

1）Ni和Ru之间的协同作用降低了第一次C−H键活化的活化能并促进CH_x分解。此外，Sm掺杂增加了CeO₂中的氧空位浓度，有利于H₂O的吸附和解离。因此，SCNR可以同时激活CH₄和H₂O分子，同时氧化CH*并提高焦化耐受性。

2）然后，研究人员应用SCNR作为CH₄-SOFC阳极催化重整层，在650 °C时实现了733 mW cm⁻²的峰值功率密度，与原始CH₄-SOFC(473 mW cm⁻²)相比提高了55%。此外，在几乎干燥的甲烷（5%H₂O）下进行了连续运行>2000小时的长期耐久性测试。

这些结果表明，具有SCNR催化层的CH₄-SOFC可以高效且具有弹性地将天然气转化为电能。

参考文献

Fan Liu, et al, Synergistic Effects of In-Situ Exsolved Ni−Ru Bimetallic Catalyst on High-Performance and Durable Direct-Methane Solid Oxide Fuel Cells, J. Am. Chem. Soc., 2024

DOI: 10.1021/jacs.3c12121

https://doi.org/10.1021/jacs.3c12121