[發明專利]一種研究氫氣在釤釓摻雜二氧化鈰表面氧化反應的方法

有效

• 申請號: 201910072398.2
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109616162B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 朱后禹;侯永春;張恒馳;劉東源;丁雪飛;孟國棟;于澤華;郭文躍
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G16C20/30
• 分類號: G16C20/30
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 李宏偉

本發明公開了一種研究氫氣在釤釓摻雜二氧化鈰表面氧化反應的方法，利用MS軟件構建二氧化鈰的周期性結構，使用VESTA軟件將搭建好的計算模型轉換成VASP軟件包計算所必需的POSCAR模型結構性文件，利用VASP軟件計算氧空位形成能，確定容易形成氧空位的位置，計算所必需的POSCAR模型結構性文件，獲得各個吸附結構、中間體以及產物分子的能量，確定穩定吸附結構，通過對比分析氧空位形成能、能壘、反應能信息，判斷摻雜對于二氧化鈰表面氫氣氧化反應的影響。本發明有益效果是計算快捷、操作簡單、且無需大量的試驗材料，具有低成本、高效率、無污染的優勢。

技術領域

本發明屬于固體燃料電池技術領域，涉及一種研究氫氣在釤釓摻雜二氧化鈰表面氧化反應的方法。

背景技術

石油仍是全球最重要的燃料，占全球能源消費的三分之一。化石類燃料的燃燒伴隨著廢水、廢渣和廢氣的排放，會造成嚴重的環境污染，如粉塵和溫室效應。隨著化石燃料儲量的逐漸減少，開發一種安全的，高效的，無污染的能源的需求日益迫切。燃料電池轉化率高，污染小，是21世紀新型潔凈發電方式之一，被譽為是繼水力、火力、核電之后的第四代發電技術。傳統的固體燃料電池需要在高溫條件下運行，而電解質材料在高溫運行時會發生界面反應，熱膨脹系數不匹配，電極燒結一系列問題。可以通過選擇中溫時具有高離子電導率的電解質材料來解決這些問題，而二氧化鈰就是具有這種性質的材料。固體氧化物燃料電池(SOFC)屬于第三代燃料電池，能高效地將化學能轉化為電能，而被視為最有前景的替代能源之一。更為重要的是，相比于第一代和第二代燃料電池，固體氧化物燃料電池可以選取燃料種類有很多，可以直接使用H₂，天然氣，煤層氣作為燃料，而不必使用貴金屬作催化劑。固體氧化物燃料電池陽極材料常用的有Ni-YSZ材料和CeO₂基金屬陶瓷陽極材料。Ni-YSZ陽極在高溫下工作容易造成電極燒結、Ni元素團聚、電池密封困難、材料熱失配及積碳和硫中毒等一些問題。而CeO₂基金屬陶瓷陽極材料可以克服這些問題，同時降低SOFC的工作溫度，所以CeO₂基金屬陶瓷陽極材料逐漸受到重視。除此之外CeO₂及摻雜CeO₂材料作為陽極材料的第二個優勢是其對甲烷等碳氫燃料具有良好的催化性能，同時又具有較高的氧離子電導能力。在陽極還原氣氛中，Ce⁴⁺總是傾向于還原成Ce³⁺，而且以CeO₂為基氧化物被認定為高活性電極材料，由于其突出的氧的儲存釋放能力，可以促進氧空位形成，降低氧離開基體的難度。之前已經有研究表明，純二氧化鈰的氧離子導電性不足，使固體氧化物燃料電池不具有實際應用的競爭力。但是，Sm、Gd摻雜元素摻雜入二氧化鈰中形成Sm摻雜CeO₂(SDC)、Gd摻雜CeO₂(GDC)能提高其氧離子導電性，并且降低氧空位形成能，從而提高電池效率。Ce是一種稀土元素，它的4f軌道上的電子具有高度的局域化及強關聯效應，傳統的DFT方法只能適應無磁場、離散化、弱關聯效應的基態，故對于Ce原子的計算，需對計算方法進行改進。

發明內容

本發明的目的在于提供一種研究氫氣在釤釓摻雜二氧化鈰表面氧化反應的方法，本發明所采用的技術方案是按照以下步驟進行：

步驟1：利用MS軟件構建二氧化鈰的周期性結構，對二氧化鈰做切面構建原胞并拓展為超晶胞；構建釤/釓在二氧化鈰超晶胞中所有的摻雜模型，使用VESTA軟件將搭建好的計算模型轉換成VASP軟件包計算所必需的POSCAR模型結構性文件；

步驟2：利用SSH遠程連接工作站、超算計算資源并用VASP軟件包對結構數據文件進行結構優化，獲得優化后的二氧化鈰模型和最穩定的摻雜結構；

步驟3：利用MS軟件分別構建氧氣分子，純二氧化鈰表面和釤/釓摻雜表面、各氧空位位置的純二氧化鈰表面和摻雜表面，使用VESTA軟件將搭建好的計算模型轉換成VASP軟件包計算所必需的POSCAR模型結構性文件，利用VASP軟件計算氧空位形成能，確定容易形成氧空位的位置；