Efectos sinérgicos del catalizador bimetálico de Ni-Ru disuelto in situ en las pilas de combustible de óxido sólido...

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales
• La electroquímica
• Catálisis

Sus antecedentes:

• Las pilas de combustible de óxido sólido de metano directo (CH4-SOFC) ofrecen una ruta prometedora para la utilización de gas natural.
• Los CH4-SOFC actuales presentan un rendimiento y una durabilidad deficientes a temperaturas intermedias (600-650 °C) debido a la baja actividad del ánodo y a problemas de coque, especialmente a bajas relaciones vapor-carbono.
• Los ánodos basados en níquel son particularmente susceptibles a la desactivación bajo estas condiciones.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar un catalizador de reformado de metano por vapor (SMR) altamente activo y tolerante al coque para ánodos CH4-SOFC.
• Investigar los efectos sinérgicos del Ni-Ru y del Sm-doping sobre el CeO2 para mejorar la actividad catalítica y la durabilidad.
• Mejorar la densidad de potencia y la estabilidad a largo plazo de los CH4-SOFC que funcionan con metano.

Principales métodos:

• El diseño del catalizador guiado por la teoría de la densidad funcional (DFT).
• Síntesis de catalizador de Ni-Ru (SCNR) con soporte de CeO2 dopado con Sm.
• Caracterización de las propiedades del catalizador, incluida la actividad y la resistencia al coque.
• Fabricación y ensayo de CH4-SOFC utilizando el catalizador SCNR como una capa reformadora del ánodo.
• Evaluación del rendimiento, incluidas las mediciones de la densidad de potencia y los ensayos de durabilidad a largo plazo en condiciones de bajo vapor.

Principales resultados:

• El catalizador SCNR demostró una mayor sinergia entre Ni y Ru, reduciendo la energía de activación para la descomposición del metano.
• El dopaje en CeO2 aumentó la concentración de oxígeno en el vacío, facilitando la adsorción y disociación del agua.
• El ánodo SCNR permitió la activación simultánea de metano y agua, mejorando la oxidación y la tolerancia al coque.
• Los CH4-SOFC con el ánodo SCNR alcanzaron una densidad de potencia máxima de 733 mW cm-2 a 650 °C, una mejora del 55% con respecto a las células prístinas (473 mW cm-2).
• Se observó una durabilidad excepcional a largo plazo, con más de 2000 horas de funcionamiento continuo en condiciones de metano casi seco (5% H2O).

Conclusiones:

• El catalizador SCNR desarrollado mejora significativamente el rendimiento y la durabilidad de los CH4-SOFC.
• Los efectos sinérgicos del Ni-Ru y del CeO2 dopado con Sm son cruciales para una eficiente reformación del metano por vapor y para la resistencia al coque.
• Estos hallazgos allanan el camino para una utilización altamente eficiente y resistente del gas natural en la tecnología SOFC.