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固体氧化物燃料电池(SOFCs)有很多优点,比如燃料多样性、能量转化效率高、排放污染少、成本相对低廉等,是一种很有希望的替代能源,然而SOFCs也面临许多挑战,如传统的阳极“镍/钇稳定二氧化锆(Ni/YSZ)”在燃料燃烧反应中受到硫中毒和碳沉积的影响而失效等,其机理,特别是阳极界面的电化学,热化学反应细节还很不清楚,且很难从实验室的水平上去诊断。因此从物理模型方面去研究理解固体氧化物燃料电池隐含的机制,比如硫中毒和碳沉积具有重要的现实意义。本文开展了下面四项工作:1.Ni/YSZ和Ni/(YSZ+O)硫中毒机制对比研究构建了Ni/YSZ以及Ni/(YSZ+O)模型,研究了硫中毒的机制,发现硫原子不喜欢待在界面氧的临近,而是倾向扩散远离界面氧。一旦界面氧消失,存在界面氧空位时,硫原子将扩散回界面氧空位附近,甚至陷入界面氧空位,很难逃离界面氧空位的束缚,即使是通入氢气,也是如此。因此少量的硫就能阻塞稀少的界面氧空位,从而导致SOFC氧离子传输受阻,引起显著的性能下降。但是相比Ni/YSZ来说,在本征氧空位添加额外的氧原子形成的氧化的Ni/YSZ体系,Ni/(YSZ+O),有助于减弱硫原子在界面氧空位的吸附,减小硫原子扩散出空位的势垒,换句话说,Ni/(YSZ+O)能在一定程度上缓解硫中毒。2.YSZ负载Ni-Sn双金属及其抗硫中毒机制构建了Ni-Sn/YSZ模型,研究了其高抗硫中毒机制,分别研究在合金化掺杂的Sn和吸附Sn两个体系上S原子扩散的行为。发现合金化掺杂的Sn能有效的减少S原子扩散的途径,而吸附的Sn能有效地增加S原子扩散到氧空位的势垒。该结果较好地解释了实验上观测到的仅仅用少量的Sn蒸汽处理,就能非常有效地阻止硫中毒的发生的现象。3.YSZ负载的Ni(Au,Ag,Cu)合金表面模型及其抗硫中毒机制研究了YSZ负载的纯净的和币族金属(Au,Ag,Cu)掺杂的Ni纳米线及其抗硫中毒机制,结果表明只有Au倾向于在界面氧空位处掺杂,由于Au对硫的惰性,硫在Au掺杂的Ni/YSZ界面氧空位的吸附减弱,从而导致硫原子逃脱界面氧空位的势垒下降,这些结果表明界面氧空位处掺入Au更有利抗硫中毒。4.含氢气,一氧化碳或水分子燃料对Ni/YSZ界面碳沉积的影响研究了通入H2,CO,CH4,及有H2O情况下Ni/YSZ界面的碳沉积形成机制,得到如下三点结论:1)与在纯净的Ni(111)表面上相比较,CH(C-H燃料的产物)可以很容易扩散到界面氧空位处,并且更加容易解理产生C和H;2)CO更加容易在界面氧空位处解离,氢原子的存在可以加速CO在界面氧空位的解离;3)在水含量很小的情况下,水分子解离后与界面的C反应生成了CHO,进而解离生成CH和O(而不是CO和H),这一定程度上解释了当水含量低时,碳沉积容易发生的现象。本文通过研究Ni基合金/YSZ界面的硫中毒,碳沉积过程以及其抗硫中毒,抗碳沉积机制,最后为高抗硫中毒,抗碳沉积阳极材料的设计给出一些指导性的建议和理解。