Эффекты легирования переходными металлами для кристаллической стабилизации оксидов церия с расчетом из первых принципов

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 10103 (2022) Цитировать эту статью

976 Доступов

Подробности о метриках

В последние годы водородная энергетика привлекает внимание, ведется производство газообразного водорода с использованием солнечной тепловой энергии. Исследования Кодамы и др. Сообщалось, что циклическая реакция может эффективно производить газообразный водород посредством двухстадийной термической окислительно-восстановительной реакции с оксидом церия. Легирование переходным металлом оксида церия улучшило эффективность реакции. Мы рассмотрели влияние легирования на термическую двухстадийную окислительно-восстановительную реакцию. В результате расчета методом DV-Xα выяснено, что легированный оксид церия приобретает прочную связь, большое значение BOP без изменения кристаллической структуры церия в двухстадийной термоокислительно-восстановительной реакции. Результаты теоретических расчетов соответствовали повышению эффективности термической реакции в экспериментальных результатах.

В последние дни мировое производство водорода составляет около 700 миллиардов нм3, чего достаточно для обеспечения топливом более 600 миллионов автомобилей на топливных элементах. Однако около половины газообразного водорода производится из природного газа. Почти 1/3 водорода производится из сырой нефти на нефтеперерабатывающих заводах. А большая часть газообразного водорода потребляется на нефтеперерабатывающих заводах1. На этом фоне также сообщалось о многих исследованиях по устойчивому производству водородной энергии из солнечной тепловой энергии с упором на солнечную энергию, которую можно использовать постоянно2,3,4,5. Солнечная энергия излучает энергию Солнца на Землю, полученную из возобновляемых источников энергии. Это эквивалентно примерно 4 миллионам ЭДж (1 ЭДж = 1018 Дж) в год6.

Количество энергии, которое теоретически может быть извлечено, может составить около 19 000 ЭДж, а количество энергии, которое может быть извлечено технически, оценивается всего лишь в 1900 ЭДж. По оценкам, в течение жизни человека он потребляет около 20 ЭДж энергии в год. Если бы мы могли преобразовать огромное количество солнечной энергии в другую энергию, мы могли бы получить достаточно энергии для нашей жизни7. Таким образом, имеет смысл использовать солнечную энергию для производства водородной энергии. Кроме того, были проведены различные исследования цепочки поставок, таких как транспорт и эксплуатация8. Газообразный водород также транспортируется цистернами и грузовиками после преобразования в жидкий водород или жидкое топливо, такое как метанол, аммиак и метилциклогексан (MCH). Основа производства водородной энергии также значительно прогрессирует, поэтому важность производства водородной энергии возрастает1,9,10. В лабораторных экспериментах11,12,13,14,15,16 было проведено множество демонстрационных экспериментов по производству газообразного водорода с использованием концентраторов солнечной энергии, направленных вниз,17,18,19,20, и ожидается, что коммерциализация производства газообразного водорода станет возможной.

При производстве газообразного водорода используется двухстадийная термическая окислительно-восстановительная реакция. Двухэтапная термическая окислительно-восстановительная реакция представляет собой циклическую окислительно-восстановительную реакцию, состоящую из реакции восстановления (1-й этап: уравнение 1) с десорбцией кислорода при высоких температурах (> 1000 ℃) и реакции окисления (2-й этап: уравнение 2) с кислородом. адсорбция при низких температурах (< 1000 ℃). В реакции термического окисления (2-й этап) можно разложить молекулы воды и эффективно производить газообразный водород под воздействием пара высокой температуры14.

В дополнение к реакции получения водорода, термическая окислительно-восстановительная реакция может также использоваться для риформинга метана CO221,22, поэтому применение двухстадийной термической окислительно-восстановительной реакции широко распространено.

В двухэтапной термической окислительно-восстановительной реакции в качестве керамики для каталитической реакции использовались различные оксиды металлов для повышения эффективности производства газообразного водорода. Эрхарт и др. использовали герцинит (FeAl2O4) в начале исследования по производству газообразного водорода23. Вонг и др. исследовали термохимические теплоаккумулирующие материалы (TCS), используя термические окислительно-восстановительные реакции в Co3O4/CoO и Mn2O3/Mn3O424. Другие исследовательские группы также сообщили о двухстадийных термических окислительно-восстановительных реакциях, таких как Mn2O3/Mn3O4, Co3O4/CoO и CuO/Cu2O25,26,27,28,29. Кодама и др. сообщили о различных материалах, производящих водород, с использованием Fe3O4/c-YSZ, NiFe2O430, NiFe2O4/m-ZrO2, Fe3O4/m-ZrO231, Fe3O4/m-ZrO2/MPSZ32,33. Среди этих экспериментов в последние годы активно развивались исследования оксида церия34,35,36,37. Оксид церия — это тип оксида лантаноидов (CeO2), используемый в качестве материала для хранения кислорода (OSC). Было обнаружено, что он применим к катализатору и термической двухстадийной окислительно-восстановительной реакции.