近日，西北工業大學李致朋團隊聯合北京大學劉開輝教授、馬丁院士、王恩哥院士團隊，在國際材料頂刊《Advanced Materials》發表最新研究成果：提出了一種基于鎳原子晶格分離的創新策略，突破性實現了固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell, SOFC）的積碳問題，同步實現了天然氣向電能的高效、穩定轉化。本工作共同第一作者為北京大學趙孟澤、張志斌、王琮和西北工業大學馮鵬。

研究背景

固體氧化物燃料電池因其高能量轉化效率與燃料靈活性，在分布式發電及清潔能源轉化領域具有重要應用前景。然而，直接使用甲烷等碳氫燃料時，鎳基陽極在高溫還原性氣氛下易發生不可逆的碳沉積，導致活性位點覆蓋、電極微結構堵塞及機械應力集中，最終引發電池性能衰減與失效。傳統的外部重整技術雖能部分緩解積碳，但難以在長期運行中徹底消除風險，且過程碳多以低價值形式排放。因此，發展一種能夠同時實現燃料深度凈化與固碳產物高值化的新技術，對推進SOFC燃料電池實用化進程及提升化石能源利用價值具有重要意義。

原子尺度空間解耦實現氫-碳定向轉化

本工作提出并驗證了一種基于原子尺度質量傳輸的“氫-碳分離”新機制。研究團隊設計了一種管狀鎳泡沫-鎳箔復合結構反應器（圖1a, b）。在該設計中，天然氣于內層鎳泡沫催化劑表面發生催化裂解生成氫氣；所產生的活性碳原子則溶解進入鎳箔晶格，并通過晶格擴散至外側表面，在惰性氣氛保護下外延生長為高度有序的石墨烯（圖1c-e）。此過程在物理空間上完全分離了氣態氫產物與固態碳產物的形成路徑。

圖1. 天然氣中H2與石墨的原子晶格分離設計。a, b) 采用內管與外管分離的原子晶格分離法示意圖（截面正視圖(a)與側視圖(b)）。內外管由Ni泡沫-Ni箔結構分隔，天然氣通過內管，N2通過外管，最終獲得H2與石墨產物。c) 能量與物質轉化過程機理示意圖：(i) 天然氣中氫原子經Ni泡沫催化轉化為H2；(ii) 天然氣中碳原子轉化為Ni泡沫上的活性非晶碳，最終通過晶格傳輸在Ni箔外側形成晶體石墨。為清晰起見，圖中僅展示天然氣中的CH4。d) 大尺寸高品質晶體石墨照片，面積達12厘米×8厘米。e) 輸入天然氣（e1）與輸出H?（e2）的特征等離子體輝光照片。

該機制帶來雙重核心優勢：1）燃料深度脫碳：經此過程處理，出口燃料氣中甲烷含量由93.5%降至0.2%以下，獲得高純度富氫氣流（表S1），從源頭上杜絕了SOFC陽極積碳的可能性；2）碳產物高值化：分離出的碳以單晶石墨烯形式定向結晶（圖2a, b），其純度（~10 ppm）與晶體質量顯著優于商業高取向熱解石墨（圖2c），并具備優異的電學性能（載流子遷移率達200,000 cm2·V?1·s?1，圖3），實現了副產物從 “有害沉積物” 到“功能性材料” 的轉變。

圖2 高品質晶體石墨的表征。a, b) 所得晶體石墨與非晶碳的拉曼光譜c) 晶體石墨與商用高質量高取向石墨的ICP-MS分析結果

圖3基于原生晶體石墨的石墨烯量子霍爾器件電子輸運特性表征。a) 制備的石墨烯量子霍爾器件示意結構及光學圖像（插圖）。b) 當B=0時，Rxx隨n變化的曲線。c) 載流子遷移率(μ)隨n變化的曲線，顯示出200 000 cm2·V?1·s?1的最大遷移率。

SOFC燃料電池高效、穩定發電的實現

為實現從原理驗證到功能應用的跨越，本研究將前述的原子晶格分離單元與固體氧化物燃料電池進行了深度系統集成與性能驗證，構建了一個從燃料處理到發電的完整閉環。

研究團隊設計并搭建了一個集成化的測試平臺。該平臺的核心是將原子晶格分離反應器與定制化的平板式SOFC燃料電池通過氣路直接耦合（圖4a-c）。為確保燃料的徹底凈化，實驗中創新性地采用了兩級串聯的原子晶格分離流程（對應文中Out-1與Out-2氣體）。經過此雙級純化后，天然氣中主要組分甲烷（CH?）的轉化率超過99%，出口燃料氣（Out-2）中的CH?含量從原料氣的93.5%降至0.2%，同時氫氣成為絕對主導成分（表1）。這種深度的“脫碳”處理，從根源上移除了SOFC燃料電池陽極積碳的反應物基礎。

表1 在1150℃溫度下進行晶格分離工藝前后，氣體流量的變化

圖4 集成原子晶格分離與固體氧化物燃料電池系統。a-c) 集成兩級原子晶格分離工藝與固體氧化物燃料電池系統的示意圖及實物照片，展示其直接應用于手機充電的場景。固體氧化物燃料電池結構如b) 所示。d, e) 采用天然氣、Out-1氣體和Out-2氣體作為輸入時的功率密度和穩定性，其中使用Out-2氣體時達到最高功率密度約1 W·cm?2和最高穩定性≥300小時。圖中天然氣條件下出現的負電流信號表明電池發生故障。

集成系統的測試結果充分驗證了該方案的優越性。在750°C的運行溫度下，使用深度凈化后的Out-2氣體作為燃料，SOFC燃料電池展現了出色的輸出性能，其最大功率密度達到1.0 W·cm?2（圖4d），與使用純氫燃料時的性能相當。更為關鍵的是，在長達超過300小時的恒流放電測試中，電池電壓與功率輸出未見衰減（圖4e），證明了其卓越的長期運行穩定性。對比實驗清晰揭示了傳統路徑的弊端：當直接通入未處理的天然氣時，SOFC陽極因嚴重的碳沉積和由此產生的應力，在短時間內即發生開裂與損毀（圖5）。而本技術提供的燃料則完全避免了這一問題。

圖5 固體氧化物燃料電池在不同輸入氣體條件下運行前后的光學圖像。a) 電池運行前的光學圖像。b–d) 電池分別使用天然氣、Out-1氣體和Out-2氣體供氣時的光學圖像。

表2原子晶格分離-固體氧化物燃料電池集成系統的理論原料與產物

性能測試表明，該集成系統的總發電效率可達約57%。研究團隊進一步演示了其實際供電能力，成功利用該系統產生的電力為智能手機等外部設備充電（圖4c），驗證了其即發即用的實用價值。此外，研究對系統能量流進行了前瞻性分析（表2），指出SOFC電化學反應為放熱過程，而前端的天然氣裂解則需要吸收熱量。通過精巧的熱管理系統設計，可將SOFC產生的余熱回收，用于驅動原子晶格分離器的加熱，從而顯著降低系統的外部能耗，實現能量的內部循環與效率的進一步提升。初步估算顯示，每消耗1立方米天然氣，該系統理論上可產出約3.1千瓦時電能與500克高質石墨烯，同時避免約2千克的二氧化碳排放。

總結與展望

本研究發展的原子晶格分離技術，為破解SOFC燃料電池直接利用碳氫燃料的積碳瓶頸提供了一種根本性解決方案。該技術通過獨特的物理分離機制，同步實現了：

1、為SOFC燃料電池供給高純、抗積碳燃料，保障其長期運行穩定性；

2、將固碳產物轉化為高附加值石墨烯，極大提升了過程經濟性；

3、展現了與SOFC燃料電池系統高效集成的可行性，并具備能量循環利用潛力。

該工作不僅推動了SOFC燃料電池技術的發展，也為天然氣的清潔、高效、高值化利用開辟了一條創新路徑，對構建低碳能源體系具有重要戰略意義。未來研究可圍繞反應器工程放大、長周期運行驗證及與千瓦級電堆的系統集成等方面進一步展開。

文章信息

Mengze Zhao, Zhibin Zhang, Cong Wang, Peng Feng, Kuan Yang, Mingchao Ding, Yuheng Jiang, Quanlin Guo, Meng Wang, Muhong Wu, Guangyu Zhang, Xin-Zheng Li, Zhiyong Tang, Ding Ma*, Zhipeng Li*, Enge Wang*, Kaihui Liu*. Separation of Hydrogen and Graphite from Natural Gas Through Nickel Atomic Lattice, Advanced Materials. DOI: 10.1002/adma.202518450.