In-situ изучение механизмов конверсии углеродсодержащих топлив на многокомпонентных катализаторах и электродных процессов в твердооксидных топливных элементах методом спектроскопии комбинационного рассеяния света

Проведены in-situ исследования катализаторов состава 1.9 вес.% Pt-Ce0.75Zr0.25O2, и 1 вес.% Rh-Ce0.75Zr0.25O2. Выявлено, что как при нагреве, так и при переходе от инертной атмосферы к восстановительной происходит выход кислорода из кристаллической решётки. Он приводит к образованию вакансий кислорода, а также уменьшению концентрации Ce4+и возрастанию доли Ce3+. При возращении к исходным внешним условиям (температура, атмосфера) происходит обратный процесс – возрастает концентрация Ce4+, а кислород занимает свободные вакансии. Таким образом, ионы кислорода приходят в место протекания каталитической реакции не из окружающей среды, а непосредственно из матрицы носителя катализатора. «Дышащая» структура носителя катализатора позволяет осуществлять высокоэффективный обмен кислородом с наночастицами платины/родия и обеспечить бесперебойную доставку ионов кислорода к месту протекания каталитической реакции. Исследована внутренняя углекислотная конверсия метана на ТОТЭ 2го поколения. Лучшими показателями выхода синтез-газа (H2 = 16,6 мл/мин, CO = 31,7 мл/мин), а также самым продолжительным временем конверсии обладает образец, представляющий собой полуэлемент с нанесённым слоем GDC. Смена H2-N2 топливной смеси на углеродсодержащую приводит к ухудшению характеристик ТОТЭ анодподдерживающей конструкции. Возрастает общее сопротивление образца, преимущественно за счёт увеличения поляризационного среднечастотного вклада сопротивления, связанного с увеличением времени кинетики протекания реакции. Механизм углекислотной конверсии на аноде ТОТЭ 2го поколения аналогичен стандартному механизму углекислотной конверсии. Механизм позволяет объяснить высокое содержание СО в продуктах реакции. Продолжительная работа в условиях углекислотной конверсии ведёт к образованию углеродных отложений по всей толщине модельных образцов. Наличие значительного количества углерода (до 40 вес. %) подтверждается микрофотографиями СЭМ, EDX и КРС. В толще топливного электрода углерод находится в форме графита, при приближении к свободной поверхности наблюдается полимеризация углеродных кластеров в углеродные нанотрубки. Исследование поверхности топливного элемента с помощью КРС показывает наличие D- и G-графита, что говорит о присутствии одновременно разупорядоченного и нитевидного углерода. Более длительная выдержка в углеродсодержащем топливе приводит к увеличению доли полимеризованного в нанотрубки углерода.