Self-hydrating of a ceria-based catalyst enables efficient operation of solid oxide fuel cells on liquid fuels

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作者
Kang Xu,Hua Zhang,Wanqing Deng,Ying Liu,Yong Ding,Yucun Zhou,Meilin Liu,Yu Chen
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier BV]
卷期号:68 (21): 2574-2582 被引量:39
标识
DOI:10.1016/j.scib.2023.09.012
摘要

The commercialization of solid oxide fuel cells (SOFCs) that run on liquid hydrocarbon fuels is hindered by the poor coking tolerance of the state-of-the-art anode. Among the strategies developed, modulating the reforming reaction site's local steam/carbon ratios to enhance the coking tolerance is efficient but challenging. Here we report our rational design of a ceria-based catalyst (with a nominal composition of Ce0.95Ru0.05O2-δ, CR5O) that demonstrates remarkable tolerance to coking while maintaining excellent activity for direct utilization of liquid fuels in SOFCs. Under operating conditions, the catalyst is transformed to a partially reduced oxide frame covered with Ru nanoparticles (Ru/Ce0.95Ru0.05-xO2-δ, Ru/CR5-xO), as confirmed by experimental analyses. The Ru/CR5-xO demonstrates excellent self-hydration capability to remove the coke. When applied to the Ni-yttria-stabilized zirconia (Ni-YSZ) anode of an SOFC with liquid fuels, the catalyst enables excellent performance, achieving a peak power density of 1.010 W cm-2 without coking for ∼200 h operation (on methanol) at 750 °C. Furthermore, density functional theory calculations reveal that the high activity and coking tolerance of the Ru/CR5-xO catalyst-coated Ni-YSZ anode is attributed to the reduced energy barrier for the rate-limiting step and the formation of a COH intermediate for rapid carbon removal.
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