Ni/TiO2(110)表面甲烷重整反应生成CO和H2反应机理的第一性原理研究

来源：中国科学材料

近日，中国科学技术大学陆亚林教授和彭冉冉副教授等人在Science China Materials上发表研究论文，基于密度泛函理论(DFT)计算，研究了Ni/TiO2(110)表面甲烷重整反应的机理，揭示了固体氧化物燃料电池中TiO2基阳极较传统ZrO2或者CeO2基阳极材料具有良好抗积碳性能的重要原因。

他们对六种不同的甲烷重整反应路径(干燥和湿润的气氛环境)进行了详细研究，阐明了TiO2，Ni/TiO2界面和水分子在甲烷重整反应中的作用以及Ni/TiO2基阳极抗积碳性能的来源。

经过计算发现，在干燥和湿润的环境下，碳原子和界面的TiO2晶格氧反应生成CO以及后续水分子吸附和解离在界面的氧空位上并提供反应所需O原子是甲烷重整反应的主要路径(C-O路径)，而水分子直接参与C原子或者CH基团的氧化反应则要困难很多。值得注意的是，在研究的六种反应路径中，CO从反应表面的脱附都非常困难，需要约2.3 eV的能量才能使得其脱附。因而造成大量表面反应活性位点被占据，这是目前很多阳极材料不具备抗积碳性能的一个重要原因。然而，在湿润环境中，水分子的吸附放热大大降低了整个反应体系所需能量，尤其是本文中水分子在TiO2表面的快速解离吸附更是大大降低了整个反应体系的能量。进一步研究发现，水分子在Ni，YSZ和CeO2表面的吸附解离要比在TiO2表面困难很多。这也是TiO2基阳极材料具有较好抗积碳性能的一个重要原因。

本研究对于指导合成碳氢燃料气氛下具有优异抗积碳性能的固体氧化物燃料电池阳极材料具有重要的意义。

该研究成果最近发表于Science China Materials, 2019, doi: 10.1007/s40843-019-1218-1。