西北工业大学李致朋联合北京大学刘开辉/马丁院士/王恩哥院士AdvancedMaterials—破解天然气制氢与积碳难题，促进燃料电池高效清洁发电

近日，西北工业大学李致朋团队联合北京大学刘开辉教授、马丁院士、王恩哥院士团队，在国际材料顶刊《Advanced Materials》发表最新研究成果：提出了一种基于镍原子晶格分离的创新策略，突破性实现了固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）的积碳问题，同步实现了天然气向电能的高效、稳定转化。本工作共同第一作者为北京大学赵孟泽、张志斌、王琮和西北工业大学冯鹏。

研究背景

固体氧化物燃料电池因其高能量转化效率与燃料灵活性，在分布式发电及清洁能源转化领域具有重要应用前景。然而，直接使用甲烷等碳氢燃料时，镍基阳极在高温还原性气氛下易发生不可逆的碳沉积，导致活性位点覆盖、电极微结构堵塞及机械应力集中，最终引发电池性能衰减与失效。传统的外部重整技术虽能部分缓解积碳，但难以在长期运行中彻底消除风险，且过程碳多以低价值形式排放。因此，发展一种能够同时实现燃料深度净化与固碳产物高值化的新技术，对推进SOFC燃料电池实用化进程及提升化石能源利用价值具有重要意义。

原子尺度空间解耦实现氢-碳定向转化

本工作提出并验证了一种基于原子尺度质量传输的“氢-碳分离”新机制。研究团队设计了一种管状镍泡沫-镍箔复合结构反应器（图1a, b）。在该设计中，天然气于内层镍泡沫催化剂表面发生催化裂解生成氢气；所产生的活性碳原子则溶解进入镍箔晶格，并通过晶格扩散至外侧表面，在惰性气氛保护下外延生长为高度有序的石墨烯（图1c-e）。此过程在物理空间上完全分离了气态氢产物与固态碳产物的形成路径。

图1. 天然气中H2与石墨的原子晶格分离设计。a, b) 采用内管与外管分离的原子晶格分离法示意图（截面正视图(a)与侧视图(b)）。内外管由Ni泡沫-Ni箔结构分隔，天然气通过内管，N2通过外管，最终获得H2与石墨产物。c) 能量与物质转化过程机理示意图：(i) 天然气中氢原子经Ni泡沫催化转化为H2；(ii) 天然气中碳原子转化为Ni泡沫上的活性非晶碳，最终通过晶格传输在Ni箔外侧形成晶体石墨。为清晰起见，图中仅展示天然气中的CH4。d) 大尺寸高品质晶体石墨照片，面积达12厘米×8厘米。e) 输入天然气（e1）与输出H₂（e2）的特征等离子体辉光照片。

该机制带来双重核心优势：1）燃料深度脱碳：经此过程处理，出口燃料气中甲烷含量由93.5%降至0.2%以下，获得高纯度富氢气流（表S1），从源头上杜绝了SOFC阳极积碳的可能性；2）碳产物高值化：分离出的碳以单晶石墨烯形式定向结晶（图2a, b），其纯度（~10 ppm）与晶体质量显著优于商业高取向热解石墨（图2c），并具备优异的电学性能（载流子迁移率达200,000 cm²·V⁻¹·s⁻¹，图3），实现了副产物从 “有害沉积物” 到“功能性材料” 的转变。

图2 高品质晶体石墨的表征。a, b) 所得晶体石墨与非晶碳的拉曼光谱c) 晶体石墨与商用高质量高取向石墨的ICP-MS分析结果

图3基于原生晶体石墨的石墨烯量子霍尔器件电子输运特性表征。a) 制备的石墨烯量子霍尔器件示意结构及光学图像（插图）。b) 当B=0时，Rxx随n变化的曲线。c) 载流子迁移率(μ)随n变化的曲线，显示出200 000 cm²·V⁻¹·s⁻¹的最大迁移率。

SOFC燃料电池高效、稳定发电的实现

为实现从原理验证到功能应用的跨越，本研究将前述的原子晶格分离单元与固体氧化物燃料电池进行了深度系统集成与性能验证，构建了一个从燃料处理到发电的完整闭环。

研究团队设计并搭建了一个集成化的测试平台。该平台的核心是将原子晶格分离反应器与定制化的平板式SOFC燃料电池通过气路直接耦合（图4a-c）。为确保燃料的彻底净化，实验中创新性地采用了两级串联的原子晶格分离流程（对应文中Out-1与Out-2气体）。经过此双级纯化后，天然气中主要组分甲烷（CH₄）的转化率超过99%，出口燃料气（Out-2）中的CH₄含量从原料气的93.5%降至0.2%，同时氢气成为绝对主导成分（表1）。这种深度的“脱碳”处理，从根源上移除了SOFC燃料电池阳极积碳的反应物基础。

表1 在1150℃温度下进行晶格分离工艺前后，气体流量的变化

图4 集成原子晶格分离与固体氧化物燃料电池系统。a-c) 集成两级原子晶格分离工艺与固体氧化物燃料电池系统的示意图及实物照片，展示其直接应用于手机充电的场景。固体氧化物燃料电池结构如b) 所示。d, e) 采用天然气、Out-1气体和Out-2气体作为输入时的功率密度和稳定性，其中使用Out-2气体时达到最高功率密度约1 W·cm⁻²和最高稳定性≥300小时。图中天然气条件下出现的负电流信号表明电池发生故障。

集成系统的测试结果充分验证了该方案的优越性。在750°C的运行温度下，使用深度净化后的Out-2气体作为燃料，SOFC燃料电池展现了出色的输出性能，其最大功率密度达到1.0 W·cm⁻²（图4d），与使用纯氢燃料时的性能相当。更为关键的是，在长达超过300小时的恒流放电测试中，电池电压与功率输出未见衰减（图4e），证明了其卓越的长期运行稳定性。对比实验清晰揭示了传统路径的弊端：当直接通入未处理的天然气时，SOFC阳极因严重的碳沉积和由此产生的应力，在短时间内即发生开裂与损毁（图5）。而本技术提供的燃料则完全避免了这一问题。

图5 固体氧化物燃料电池在不同输入气体条件下运行前后的光学图像。a) 电池运行前的光学图像。b–d) 电池分别使用天然气、Out-1气体和Out-2气体供气时的光学图像。

表2原子晶格分离-固体氧化物燃料电池集成系统的理论原料与产物

性能测试表明，该集成系统的总发电效率可达约57%。研究团队进一步演示了其实际供电能力，成功利用该系统产生的电力为智能手机等外部设备充电（图4c），验证了其即发即用的实用价值。此外，研究对系统能量流进行了前瞻性分析（表2），指出SOFC电化学反应为放热过程，而前端的天然气裂解则需要吸收热量。通过精巧的热管理系统设计，可将SOFC产生的余热回收，用于驱动原子晶格分离器的加热，从而显著降低系统的外部能耗，实现能量的内部循环与效率的进一步提升。初步估算显示，每消耗1立方米天然气，该系统理论上可产出约3.1千瓦时电能与500克高质石墨烯，同时避免约2千克的二氧化碳排放。

总结与展望

本研究发展的原子晶格分离技术，为破解SOFC燃料电池直接利用碳氢燃料的积碳瓶颈提供了一种根本性解决方案。该技术通过独特的物理分离机制，同步实现了：

1、为SOFC燃料电池供给高纯、抗积碳燃料，保障其长期运行稳定性；

2、将固碳产物转化为高附加值石墨烯，极大提升了过程经济性；

3、展现了与SOFC燃料电池系统高效集成的可行性，并具备能量循环利用潜力。

该工作不仅推动了SOFC燃料电池技术的发展，也为天然气的清洁、高效、高值化利用开辟了一条创新路径，对构建低碳能源体系具有重要战略意义。未来研究可围绕反应器工程放大、长周期运行验证及与千瓦级电堆的系统集成等方面进一步展开。

来源：西工大燃料电池组

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