CN102549822B - 催化剂材料和用于重整烃燃料的方法 - Google Patents

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Abstract

在一个实施方式中，提供一种用于重整的组合物，其包括包含具有从约2nm至约1000nm的平均粒径的二氧化钼纳米粒子和/或MO2纳米粒子(其中M＝Mo、W、Ru、Re、Os、Ir)的催化剂材料；及基材，其中二氧化钼纳米粒子和/或MO2纳米粒子(其中M＝Mo、W、Ru、Re、Os、Ir)两者基本上固定在基材上。在另一实施方式中，提供一种包括前述组合物的用于燃料电池的阳极。且在另一实施方式中，提供一种包括前述阳极的燃料电池。

Description

催化剂材料和用于重整烃燃料的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年9月11号提交的美国临时申请第61/241,779号和2010年5月18号提交的美国临时申请第61/345,658号的权益，这两个临时申请通过引用的方式并入本文。
领域
本专利申请涉及催化剂材料及使用方法。
背景
在发电的分布式应用中，重整技术在烃的潜在利用中发挥着重要的作用。尤其是本领域对能够烃和/或生物燃料氧化以提供随后可在燃料电池之内用于有效分布式发电的氢、小分子量的碳片段(例如碳氧化物和甲烷)和/或小分子量的醇类的重整技术存在需求。生物燃料是各种生物质所衍生的具有化学通式CxHyOz的燃料。
在一个应用中，使用Jet-A燃料和/或生物燃料的直接进料的固体氧化物燃料电池(SOFC)作为商业飞机上所采用的燃气涡轮辅助动力装置(APU)的替换是令人感兴趣的。类似的烃和/或生物燃料进料可用于为机场地面运输提供动力的SOFC中。在第三应用中，燃料电池在汽车应用中的使用将要求汽油、柴油和/或生物燃料的直接进料。
对于SOFC，重整催化剂可充当燃料电池的阳极。燃料电池的阳极直接(1)将烃和/或生物燃料进料重整为在阳极被电化学氧化以产生电的氢、小的碳片段(例如，碳氧化物或甲烷)和/或小的含氧烃；和/或(2)直接将烃和/或生物燃料进料氧化成水和二氧化碳以产生电。
需要分布式发电的一个实例是航空工业。航空工业已经看到了用电驱动系统代替液压驱动系统和气动驱动系统的益处。然而，这样的代替增加了飞机的电力要求。
飞机通常采用燃烧型辅助动力装置以向各种电子系统比如导航系统及类似物提供电力。例如，商业飞机通常采用燃气涡轮辅助动力装置为飞机提供辅助动力。然而，已知燃烧型辅助动力装置比如燃气涡轮装置具有相对低的热力学效率且因此消耗了相当大量的飞机航空燃料供给。而且，燃烧型辅助动力装置的重量及与此类装置相关的大量布线极大地增加了飞机的整体重量，从而进一步降低了飞机的燃料效率。
对使用化石燃料的不断增加的忧虑已促使商业飞机的设计者和生产者探索用于增加燃烧型辅助动力装置的效率的新技术及辅助动力的供选择的来源。使用燃烧型辅助动力装置的一个备选方案是使用燃料电池。燃料电池通常具有更高的热力学效率和显著低于燃烧型辅助动力装置的重量。因此，燃料电池提供了供应所需要的辅助动力同时显著降低化石燃料的消耗的可能性。
因此，本领域的技术人员继续寻求在燃料电池内使用或与燃料电池结合使用以提供辅助动力的来源的重整技术的应用的进步。
概述
本发明的一方面涉及用于烃和/或生物燃料重整的材料，且更具体地，涉及这些材料结合被配置成以直接烃进料和/或生物燃料进料操作的燃料电池或作为被配置成以直接烃进料和/或生物燃料进料操作的燃料电池的部件的用途，还更具体地，涉及被配置成以后勤燃料(logisticsfuel)和衍生自生物质的燃料的直接进料操作的SOFC。
根据另一方面，本发明提供：
阴极；
阳极，其包括包含MO2纳米粒子的催化剂材料，其中M选自Mo、W、Ru、Re、Os或Ir；及
电解质，其布置在所述阴极和所述阳极之间。
在所公开的重整技术的另一方面，公开了主要由二氧化钼(MoO2)组成的催化剂材料。其它可能的催化剂材料包括但不限于表现出其中阳离子可以多于一个价态存在的高导电性的陶瓷氧化物。另外的可能的催化剂材料包括但不限于具有化学通式MO2(其中M＝Mo、W、Ru、Re、Os、Ir)的金属氧化物，该金属氧化物表现出适合用作在利用烃和/或生物燃料作为直接进料的燃料电池中的电极的离子电导性和导电性。表现出离子电导性和导电性的此类催化剂被称为“混合传导性”材料。在某些实施方式中，M是可以多于一个价态存在的阳离子。
在另一实施方式中，催化剂可任选地掺杂有选自包括SiO2、TiO2、SnO2和CeO2、或这些氧化物中的一种或多种的混合物的组的掺杂剂。催化剂可任选地掺杂有上文未列举的其它氧化物。在一个实施方式中，掺杂剂浓度通常小于50％。在某些实施方式中，掺杂剂氧化物在主体氧化物中可表现出部分固溶度。
在另一实施方式中，催化剂可任选地掺杂有选自包括Co、Ni、Cu、Rh、Pd、Ag、Ir和Pd或这些金属中的一种或多种的混合物的组的掺杂剂。催化剂可任选地掺杂有上文未列举的其它金属或其它金属氧化物。在一个实施方式中，掺杂剂浓度通常小于50％。
在另一实施方式中，催化剂可任选地掺杂有选自包括SiO2、TiO2、SnO2、CeO2、Co、Ni、Cu、Rh、Pd、Ag、Ir和Pd、或这些金属或金属氧化物中的一种或多种的混合物的组的掺杂剂。
在另一实施方式中，催化剂可任选地掺杂有金属氧化物以控制其金属-氧键强度且调节其氧化还原稳定性。在另一实施方式中，催化剂可任选地掺杂有金属氧化物以控制其晶格参数和轴比，且调节其导电性。
在一个实施方式中，重整技术主要由催化剂材料的纳米结构主体组成。纳米结构主体可包括离散的纳米粒子。优选地，纳米粒子具有小于约1000nm，小于约200nm，小于约100nm和/或大于约2nm的平均粒径。因此，在一个实施方式中，催化剂材料具有在约1纳米至约200纳米范围内的平均粒径。在另一实施方式中，纳米粒子具有从约2nm至约1000nm的平均粒径。在还另一实施方式中，催化剂材料具有在约200纳米至约1000纳米范围内的平均粒径。
纳米粒子可固定在基材材料或载体上。在一个实施方式中，纳米粒子基本上固定在基体材料上。在一个实施方式中，基体材料是陶瓷材料。在一个实施方式中，基体材料包括钇稳定的氧化锆和钐掺杂的二氧化铈中的至少一种。
在还另外的实施方式中，纳米结构主体可包括图案化或随机蚀刻的本体催化剂，该催化剂能够为了催化活性提供增加的表面积。如本文所用的术语“掺杂”是指包括离散催化粒子的本体混合物(比如MoO2粒子和Ni粒子的混合物)的催化剂材料或包括其中母体材料和掺杂剂存在相同粒子(例如MoO2-Ni合金粒子)之内的离散催化粒子的催化剂材料。
在一个实施方式中，催化剂材料具有至少约10平方米每克的表面积。
在一个实施方式中，电解质是固体氧化物电解质。
在一个实施方式中，催化剂材料包括第一组的MO2纳米粒子和至少一个不同组的MO2纳米粒子(例如，第二组的MO2纳米粒子)的混合物，其中第一组中的M是不同于所述至少一个不同组中的M的材料。
在一个实施方式中，燃料电池是SOFC。
在还另外的方面中，所公开的重整技术提供烃燃料和/或生物燃料的重整以产生适合在燃料电池内使用的低分子量产物。
在一方面，所公开的催化剂材料可提供适合在直接和间接的烃燃料SOFC和/或生物燃料SOFC中使用的阳极材料。SOFC可包括阴极、包括催化剂材料的阳极以及布置在阴极和阳极之间的电解质。
在另一方面，燃料电池是固体氧化物燃料电池，该电池包括：由第一陶瓷材料形成的阴极；包括由第二陶瓷材料负载的催化剂材料的阳极，催化剂材料具有小于约1000纳米的平均粒径；及放置在阴极和阳极之间的电解质，该电解质由第三陶瓷材料形成。在一个实施方式中，第二陶瓷材料和第三陶瓷材料是相同的。在其它的实施方式中，第二陶瓷材料和第三陶瓷材料是不同的。
在又一方面，所公开的用于为外部负载电路提供动力的方法可包括以下步骤：提供包括阳极、阴极和电解质的SOFC，阳极包括催化剂材料；使阳极和阴极电耦合到外部负载电路；将烃和/或生物燃料供应至阳极；以及将氧化剂供应至阴极。
从以下的详细描述中，本发明的其它特征和优势将变得明显。然而，应理解，详细描述和具体的实例尽管表示本发明的优选实施方式，但仅以阐述的方式提供，因为从这个详细描述中，在本发明的精神和范围之内的各种变化和修改对于本领域的技术人员来说将变得明显。
附图简述
图1显示了本文所公开的重整器可如何结合燃料电池使用。
图2显示了本文所公开的重整器可如何结合燃料电池使用。
图3是直接的烃SOFC和/或生物燃料SOFC的一方面的示意性框图。
图4A显示了异辛烷部分氧化的热力学分析。
图4B显示了MoO2在不同的噻吩浓度下的催化性能。
图5显示了用于高级汽油的部分氧化的MoO2和镍催化剂的性能之间的比较。
图6显示了用于催化活性测量的实验装置。
图7显示了商业MoO2(a和c)和MDNP(b和d)的SEM图像和TEM图像。
图8显示了MDNP的催化活性。
图9显示了WHSV对MDNP的催化活性的影响。
图10显示了商业MoO2与MDNP的催化活性的比较。
图11显示了商业MoO2的用过的样品(spentsample)(a和c)和MDNP的用过的样品(b和d)的SEM图像和TEM图像，包括电子衍射图。
图12显示了商业MoO2的用过的样品(a)和MDNP的用过的样品(b)的EDX光谱。
图13显示了镍掺杂的MoO2粒子与纯MoO2粒子对于在850℃、0.6的氧/碳比率及2.2h-1的重时空速(WHSV)下实际Jet-A燃料的部分氧化反应的催化活性。
图14显示：(A)用于从Boeing得到的具有C18.6H39.0O2.4的估计化学式的生物柴油的部分氧化的化学计算方程式；(B)在850℃和1atm下，采用1.0的氧/碳比率及1.9h-1的WHSV，生物柴油经商业MoO2催化剂、Ni催化剂和在MoO2上的10wt％Ni催化剂的部分氧化性能。在MoO2上的10wt％Ni催化剂是通过湿-浸渍法制备的；及(C)在用生物柴油对MoO2测试24小时后，MoO2的EDX数据。插图显示了相应的SEM图像。
详述
为了充分理解获得根据本发明的上述细节及其它优势和目的的方式，将通过参考本发明的具体的实施方式提供本发明的更详细的描述。
在一方面，所公开的重整技术是主要由二氧化钼(MoO2)组成的催化剂材料。在其它方面，催化剂材料包括但不限于具有MO2的化学通式的金属氧化物(其中M＝Mo、W、Ru、Re、Os、Ir)，该金属氧化物表现出其中阳离子能够以多于一个价态存在的高离子电导性和导电性。在另一方面，催化剂可任选地掺杂有以通常小于50％的浓度的SiO2、TiO2、SnO2、CeO2和其它氧化物。在另一方面，催化剂可任选地掺杂有以通常小于50％的浓度的Co、Ni、Cu、Rh、Pd、Ag、Ir、Pd、其它金属和/或其它金属氧化物。在另一方面，催化剂可任选地掺杂有金属氧化物以控制其金属-氧键强度且调节其氧化还原稳定性。在另一方面，催化剂可任选地掺杂有金属氧化物以控制其晶格参数和轴比，且调节其导电性。在某些实施方式中，催化剂材料包括第一组的MO2纳米粒子和至少一个不同组的MO2纳米粒子的混合物，其中与第二组中的M相比，第一组中的M是不同的材料。例如，催化剂材料可包括与离散的MO2纳米粒子混合的离散的MoO2纳米粒子，其中M不是Mo。
在一个实施方式中，催化材料的离子电导性使得它作为重整烃和/或生物燃料的催化剂是有效的。例如，当在阳极中使用时，催化材料的期望离子电导性小于电解质膜的期望离子电导性。在这些实施方式中，在500-1300℃的温度下，催化材料的离子电导性可在0.1-0.001S/cm的范围之间。在其它的实施方式中，在防止催化材料焦化的同时，催化材料的离子电导性足够高以在800℃或更高温度下为用后勤燃料或生物燃料操作的SOFC提供1W/cm2的最大功率密度。
在一个实施方式中，催化材料的导电性使得它在燃料电池(尤其是SOFC)中作为电极(尤其是阳极)是有效的。例如，催化材料在室温下可具有10S/cm-10e5S/cm的导电性。
优选的催化材料是有效用作在接受烃和/或生物燃料作为直接和/或间接进料的SOFC中的阳极的以具有离子电导性和导电性为特征的混合传导性材料。说明性的有效离子电导性和导电性是上文所描述的那些。
在一个实施方式中，重整技术主要由催化剂材料的纳米结构主体组成。优选地，纳米粒子具有小于约1000nm，小于约500nm，小于约200nm，小于约100nm，小于约50nm和/或大于约2nm的平均粒径。纳米粒子可固定在或基本上固定在基材材料上。合适的基材材料包括但不限于沸石、SiO2、CeO2、ZrO2、以在Ce和Zr之间的不同原子比率的CeZrO2。在一些实施方式中，包括MoO2的催化剂材料纳米粒子可使用各种技术(包括湿-浸渍法和共沉淀法)固定在这些基材材料上。
在还另外的方面，纳米结构主体可包括图案化或随机蚀刻的本体催化剂，该催化剂能够为了催化活性提供增加的表面积。
在还另外的方面，所公开的重整技术可提供用于烃和生物燃料的重整的方法以产生适合在燃料电池内使用的低分子量产物。低分子量产物的实例包括氢、二氧化碳、一氧化碳及其它CxHyOz化合物。这里将烃燃料定义为包括各种喷气燃料、煤油、柴油和汽油及作为各种生物质衍生的燃料的生物燃料的各种后勤燃料。
在一方面，所公开的催化剂材料可用作重整催化剂。特别地，可将各种烃和生物燃料与所公开的催化剂材料一起供应至重整器中，以生成适合在包括聚合物电解质膜(PEM)燃料电池(还被称为质子交换膜燃料电池)的低温燃料电池和包括SOFC的高温燃料电池之内使用的低分子量产物。图1和图2显示了具有所公开的催化剂材料的重整器可如何结合不同的燃料电池单元使用。
在一方面，所公开的催化剂材料可提供适合用于SOFC的阳极材料。SOFC可包括阴极、包括催化剂材料的阳极和布置在阴极和阳极之间的电解质。
现已发现，烃比如航空燃料(例如，Jet-A燃料)和/或生物燃料(例如，生物柴油)可有效地用于直接为燃料电池提供动力。具体地，现已发现，烃比如航空燃料和/或生物燃料比如生物柴油可直接供应到所公开的SOFC中，其中烃和/或生物燃料可内在地重整成含氢的合成气、其它碳片段和/或驱动产生电的电化学反应的小分子量含氧烃片段。
如图3所示，所公开的直接烃和生物燃料SOFC(通常指定为10)的一方面可包括阴极14、含二氧化钼的阳极12和布置在阳极12和阴极14之间的电解质16。通过外部负载电路18，阳极12可电耦合到阴极14。如箭头A1和箭头A2所示，烃燃料流和/或生物燃料流可穿过阳极12。如箭头B1和箭头B2所示，氧化剂流(例如，空气)可穿过阴极14。进入流A1、B1可提供为外部负载电路18提供动力的电化学反应。
烃燃料流和/或生物燃料流A1可包括一种或多种烃和/或含氧烃及任选的载气(例如，氮气)。在燃料流A1中的烃和/或生物燃料可以基本上是直链分子、支链分子、芳族分子、具有各种官能团的含氧烃或其组合。在一方面，在燃料流A1中的烃和/或生物燃料可以是每分子具有1-6个碳原子的轻质烃和/或具有各种官能团的含氧烃。在另一方面，在燃料流A1中的烃和/或含氧烃可以是每分子具有7个或更多个碳原子的重质烃和/或具有各种官能团的含氧重质烃。例如，燃料流A1可包括十二烷和/或生物柴油。在又一方面，燃料流A1可包括轻质烃和重质烃和/或具有各种官能团的轻质含氧烃和重质含氧烃的混合物。在另外的方面，含氧烃可以是包含按重量计的0.5-50％的氧的含氧燃料。
在一个特定方面，在燃料流A1中的烃和/或含氧烃可以是各种基于石油的燃料和/或各种基于生物质的燃料。在一个实例中，燃料流A1可包括航空燃料比如Jet-A喷气燃料和/或生物航空燃料比如生物柴油。可作为燃料流A1供应的基于石油的燃料的其它实例包括汽油、柴油(包括生物柴油)和煤油。
电解质16可以是能够将氧离子从阴极14传导到阳极12、同时使阳极12和阴极14电隔离的材料层。用于形成电解质16的材料的一个实例是钇稳定的氧化锆(“YSZ”)。用于形成电解质16的材料的另一实例是钐掺杂的二氧化铈(“SDC”)。对本领域的普通技术人员来说，在阅读本公开内容之后，用于形成所公开的SOFC10的电解质16的其它合适的材料将变得更容易明白。
阴极14可以是耦合到电解质16的电传导层。在一方面，阴极14可以是多孔的以促进氧离子的形成和传到电解质16。用于形成阴极14的材料的一个实例是亚锰酸镧锶(“LSM”)，一种电传导的氧化物陶瓷材料。用于形成阴极14的材料的另一实例是钡锶钴铁氧化物(“BSCF”)。在又一实例中，阴极14可由BSCF和SDC的混合物形成。对本领域的普通技术人员来说，在阅读本公开内容之后，用于形成所公开的SOFC10的阴极14的其它合适的材料将变得更容易明白。
阳极12可以是耦合到电解质16的电传导层，其中阳极12包括二氧化钼(MoO2)。二氧化钼表现出独特的类金属导电性。不限于任何特定的理论，二氧化钼的导电性可归因于在价带中相对高密度的状态，这还被认为增强了二氧化钼中的Mo4+的催化活性。而且，因为二氧化钼具有高的离子电导性和导电性，所以三相界面可延伸遍及整个阳极表面，从而显著减少了较高电流下的超电势损失。
阳极12可作为包括在基体材料中的二氧化钼的复合材料形成。基体材料可以是陶瓷材料比如SDC、YSZ或类似物。其它有用的基体材料对于本领域的普通技术人员来说将是易于明白的。在一个特定方面，阳极12的基体材料可与用于形成电解质16的材料相同或类似。在这一点上，本领域的技术人员将理解，现有的金属陶瓷技术可用于将二氧化钼结合到阳极12的基体材料中。
阳极12可作为包括掺杂的二氧化钼与各种掺杂材料的材料形成。掺杂材料可以是以通常小于50％的浓度的SiO2、TiO2、SnO2、CeO2和其它难熔金属氧化物。在另一方面，掺杂材料可以是以通常小于50％的浓度的Co、Ni、Cu、Rh、Pd、Ag、Ir、Pd、其它金属和/或其它金属氧化物。
在一方面，阳极12中的二氧化钼可以是高表面积的二氧化钼。在第一示例性方面，阳极12中的二氧化钼可具有至少约10m2/g的表面积。在第二示例性方面，阳极12中的二氧化钼可具有至少约50m2/g的表面积。在第三示例性方面，阳极12中的二氧化钼可具有至少约75m2/g的表面积。在第四示例性方面，阳极12中的二氧化钼可具有至少约100m2/g的表面积。不限于任何特定的理论，目前认为对于重整包括重质烃的烃，具有更高表面积的催化剂材料将具有更高的催化活性。
本领域的技术人员将理解，高表面积的二氧化钼可通过制备二氧化钼纳米粒子来获得。具有在小于50纳米至约200纳米范围内的平均粒径的二氧化钼纳米粒子已被制备和测试，并已显示提供了期望的收率和转化率。目前认为，具有小于1000纳米的平均粒径的二氧化钼粒子(即，高表面积的粒子)可能是特别有利的，尽管可使用更大的粒子。
用于制备二氧化钼纳米粒子的一个示例性技术以180℃下使用3∶1的水和乙二醇混合物还原高压釜中的七钼酸铵四水合物(前驱体)开始。可过滤生成的黑色二氧化钼纳米粒子并在使用前干燥。使用这个技术，可获得二氧化钼纳米粒子，其中大部分的纳米粒子在直径上小于50纳米且大多数在直径上小于200纳米。使用X射线衍射(峰在2θ＝30.5°)和高分辨率透射电子显微术来证实这些结果。用于制备二氧化钼纳米粒子的其它示例性技术包括干燥柠檬酸溶胶凝胶、流变相反应和使用六亚甲基四胺的钼盐沉淀。
任选地，阳极12中的二氧化钼可以是被负载的。例如，阳极12可包括负载在沸石和/或其它金属氧化物上的催化剂材料。
在这一点上，本领域的技术人员将理解，阳极12和阴极14可构建成具有密切匹配电解质16的热膨胀系数的热膨胀系数，从而在经受典型的操作温度(例如，800-1000℃)时使机械故障的风险最小化。例如，阳极12中的基体材料可被选择成为阳极12提供期望的热膨胀系数。
本公开的示例性SOFC可根据以下形成。可通过流体静力(例如，以约50MPa)将SDC粉末压成小球并在约1300℃的温度下在空气中烧结约5小时。可将小球切成圆盘(disk)且可抛光圆盘表面以获得期望的厚度(例如，约400毫米)。通过混合二氧化钼和粉状的SDC，可制备第一浆料。例如，二氧化钼与SDC的重量比可以是约60∶40。可将第一浆料喷涂到电解质圆盘的第一面上，且然后在约900℃的温度下在氩气气氛中烧结约5小时以得到具有约50毫米厚度的阳极。通过混合粉状的BSCF和粉状的SDC，可制备第二浆料。例如，BSCF与SDC的重量比可以是约70∶30。可将第二浆料喷涂到电解质圆盘的第二面上，且然后在约900℃的温度下在氩气气氛中煅烧约5小时以得到具有约15毫米厚度的阴极。
在另一方面，本公开的示例性SOFC可使用静电喷涂沉积(ESD)法来形成。ESD是适合于氧化膜的快速生成的简单技术，已证明该技术对于生成SOFC电解质和阳极材料的致密膜和多孔结构是有效的。该技术还被用于制备混合的传导性RuO2薄膜。在ESD方法中，通过供应高压动力的喷嘴生成包含期望浓度的金属前驱体(通常是硝酸盐或氯化物)的非常小的液滴的细雾。将细雾喷涂到预热的基材上。这种基材可以是YSZ或SDC(即，钐掺杂的二氧化铈)电解质圆盘。在基材表面上，细雾经历了蒸发和前驱体热分解，这导致基材上膜形成。通过改变沉积时间，膜厚度可在100nm-20μm变化。通过前驱体溶液的组成，可控制膜的组成。阳极膜组成将类似于对于烃和含氧烃两者显示出最有前景的氧化活性的MxN(1-x)O2(其中，M＝Mo、W、Ru、Re、Os、Ir且N＝各种掺杂材料)纳米粒子的组成。使用光刻技术，使得金集电器将被图案化到MxN(1-x)O2薄膜的顶部。
因此，得到的燃料电池可用于将烃和/或含氧烃直接转化成电能。
使用由80∶20(摩尔比)的十二烷和四氢化萘的混合物组成的航空燃料样本，来评估二氧化钼的重整活性。用十二烷代表航空燃料中的链烷烃，同时用四氢化萘代表航空燃料中形成焦炭的二环化合物。用于评估的二氧化钼是具有在1-10微米范围内的平均粒径的商购二氧化钼。最初，将0.5克的二氧化钼放入石英管重整反应器中。将氢气供应到系统，持续30分钟以除去任何表面的MoO3。然后，用氩气吹扫反应器。一经吹扫，以0.7的氧/碳(“O∶C”)比率、750℃的温度及0.6h-1的重时空速(“WHSV”)，供应航空燃料样本在空气中的混合物。观察到约100％的转化率和氢气收率。这个结果表明二氧化钼具有特别高的催化活性以在部分氧化条件下在非常低的温度下将长链烃(例如，十二烷)转化成氢气。使用二氧化钼的异辛烷蒸汽重整还在1∶2的蒸汽/碳比率和750℃的重整温度下进行，得到90％的转化率和约75％的氢气收率。因此，在热中性自热反应条件下，操作基于MoO2的重整器是可能的。
为了测量二氧化钼对由于焦化造成的失活的抵抗性，使用具有约37％的芳族含量的高级汽油来测试二氧化钼。芳族化合物是已知的焦化前驱体。将二氧化钼的性能与基于镍的催化剂(Ni/CeZrO4)相比较。测试是在0.72的O∶C比率、0.6h-1的WHSV及700℃的温度下进行的。如图5所示，即使是投入生产7小时后，由二氧化钼所表现出来的催化性能也是相当稳定的，得到94％的氢气收率和100％的转化率。镍催化剂从100％的氢气收率和68％的转化率开始，但投入生产4小时后，这些值分别减少至59％和37％。用镍催化剂所得到的低转化率是焦炭形成的直接结果，焦炭形成最终堵塞反应器。因此，在具有高浓度的芳族化合物的复杂燃料的部分氧化过程中，二氧化钼具有相对高的焦炭抵抗性。
最后，使用噻吩作为典型硫化合物，测试二氧化钼催化剂的耐硫性。所使用的噻吩浓度是500ppm，其非常类似于典型航空燃料的硫浓度。将异辛烷与500ppm的噻吩混合，且将该混合物供应到包含二氧化钼的反应器中。尽管噻吩似乎部分影响氢气收率，但转化率几乎保持恒定的100％。而且，用氦气吹扫反应器似乎完全使催化剂再生。吹扫过程后的二氧化钼的X射线光电子能谱法(XPS)分析显示不存在残余硫。因此，二氧化钼具有非常高的耐硫性，且通过简单的吹扫过程可容易地将任何吸附的硫化合物从表面除去。
因此，认为所公开的催化剂和SOFC具有以下优势：(1)用于使重质烃(例如，Jet-A喷气燃料)和/或含氧烃转化成H2和CO的高重整活性；(2)用于氧化氢气和一氧化碳的高电化学活性；(3)良好的导电性(例如，＞104S/m)；(4)高氧阴离子移动性以扩展反应区(即，三相界面)；及(5)高的焦炭抵抗性和耐硫性以提供长期稳定性。
实施例
重整异辛烷
在12mm固定床管状(石英)反应器中进行实验。分别在200℃和350℃下蒸发由异辛烷或高级汽油组成的液态进料。将所得到的蒸汽与用作部分氧化的氧源的空气一起混合，使用碳化硅床以促进混合。采用经过校正的注射泵和质量流量控制器以控制流速。将出口流冷却至5℃以将水、未反应的燃料及其它可能的可冷凝化合物从废气中分离。使用SRI色谱仪分析干燥的气体产物以监控H2、CO、CO2和CH4浓度。用于这个目的的GC柱是MolecularSieve13X和HyesepD。载气是10％的氢气和90％的氦气的混合物。
MoO2催化剂购自AlfaAesar。催化剂样品通过放置在反应器内部的石英棉塞支撑。通过采用CoKα辐射和铁过滤器的Philips衍射计上的粉末X射线衍射(XRD)分析用过的样品。使用消色差的MgKα(1254eV)X射线辐射和210W的功率，用由KratosAnalyticalInc.制造的AXIS-165获得XPS光谱。将结合能相对于清洁Au的4f7/2线校正为84eV。用80eV的通过能(PE)获得所有的测量扫描。在这个PE下，能量分辨率是约1.2eV。在40eV的PE和约0.8eV的能量分辨率下，获得Mo3d的高分辨率光谱。XPS分析室的基础压力是1.0×10-9托。在进行任何的XPS分析之前，将粉状样品压入纯铟(99.99％纯的)中以使装载的影响最小化。使用最小二乘拟合程序，进行高分辨率光谱的曲线拟合。将Mo3d自旋轨道对间隔设置在3.13eV，且使用0.666的面积比。为了防止试验结束和XPS或XRD分析之间的进一步氧化，在氦气下，将样品在反应器内冷却至室温。使用CoulterSA-3100自动化表征机器，进行BET表面积的测量。根据如下计算的氢气收率和碳转化率分析数据：
对于异辛烷作为燃料：
对于高级汽油(C7H13)作为燃料：
当将气态氧供应到系统时，使用过渡金属氧化物的烃的选择性氧化变成催化过程并被称为部分氧化。气态氧O2作为O-、O2-被吸附，或经由还原过程作为晶格氧被结合到氧化物结构中。通过被吸附的氧得到的电子是在烃分子的氧化过程中先前所释放的那些电子。由Mars和vanKrevelen在1954年首先研究了由氧化步骤和还原步骤的连续循环形成的这个反应机理。
机理从通过存在于催化剂表面上的双部位，烃在氧化物表面上的分解开始。在这个步骤中，四价钼离子Mo4+从烃分子中获得电子。接着，晶格氧从表面转移到上述步骤中形成的较小的烃分子中，生成二氧化碳、氢气和水。在这个转移过程中所生成的空位被来自金属氧化物本体结构的氧离子充满。最后，供应至系统的气态氧充满催化剂本体结构并消耗在过程的第一步骤期间所释放的电子。表示这个催化过程的整体反应如下用公式表示：
进行热力学分析以研究这个过程在不同的温度和燃料浓度下的局限性。所得到的结果依据H2收率来表示且在图4A和图4B中示出。
通过在O/C＝0.72下，使用相同的操作条件(除了生产时间(TOS)增加至20小时)重复实验，来测试长期稳定性。性能的评估报告在表1中，其中考虑到氮气和未反应的氧气，计算浓度。
表1：长期稳定性测试
在连续20小时时间的生产后，如从稍微下降的H2收率(从81％降低到78％)和稳定的转化率(100％)推断的，催化活性似乎几乎没有受到影响。然而，选择性似乎受到生产时间的影响。因此，在20小时时间后，H2的浓度和CO的浓度降低了2％，而CO2的浓度增加了3％。这些结果表明作为进料流中高浓度的氧的结果的选择性的改变，这在消耗了部分氧化(生成CO和H2)的情况下促进了燃料的完全氧化(生成CO2和H2O)。甲烷CH4的浓度保持恒定，因为其通过燃料的热分解而不是作为氧化过程的结果形成。
为测量MoO2的热稳定性而进行的初步实验表明，当暴露到重整环境时，烧结对MoO2催化剂来说不是问题。根据这个发现，性能的下降很可能不归因于烧结作用。
20小时和90小时的生产后的用过的样品的XRD图表明二氧化钼催化剂的本体结构似乎随着生产时间的增加经历了微小的改变，这可能与在性能方面所观察到的改变有关。因此，随着时间过去，样品中二氧化钼的量减少且因此，针对部分氧化的催化活性也下降。同时，在进料流中的气态氧的浓度大到足够促进燃料完全氧化成CO2和H2O。反应选择性的这种改变可依据反应机理从由Mars-vanKrevelen提出的机理转换至由Eley-Rideal阐明的基于被吸附的氧与气相中存在的烃之间的直接反应的机理来解释。
使用噻吩作为典型硫化合物，还测试了二氧化钼催化剂的耐硫性。在催化剂表现出最长的稳定性的相同的条件(O/C＝0.72，WHSV＝0.6h-1和T＝700℃)下进行的这个测试中，采用了两个不同的噻吩浓度(500ppm和1000ppm)。图4B显示了在上述的噻吩浓度下随生产时间变化的H2收率和转化率。
如所观察，在投入生产7小时后，500ppm的噻吩浓度似乎部分地影响了H2的收率，其下降了20％，而转化率几乎保持恒定。相反，使用1000ppm的噻吩浓度，在仅投入生产4小时后，H2收率从86％降低到了43％，同时转化率也从100％降低到了88％。催化剂性能的降低可归因于可用于吸收燃料的部位数目的逐步减少，这种减少是由于催化剂表面上的硫浓度增加。在500ppm下，在投入生产7小时后，硫化合物的吸附似乎相对较慢，且因此未检测到对MoO2的催化活性的显著影响。然而，在1000ppm下，由硫吸附所引起的失活显著影响了催化剂性能。
为了测量MoO2对由焦化引起的失活的恢复力，使用高级汽油作为具有约37％的芳族化合物含量的燃料来测试催化剂。芳族化合物被认为是焦化前驱体，且因此可预期较大比率的焦化形成。将得到的性能与使用镍催化剂所获得的性能相比较，已发现镍催化剂有效用于汽油重整。这个测试的操作条件与前面部分中使用的操作条件相同(O/C＝0.72，WHSV＝0.6h-1和T＝700℃)。这个比较的结果在图5显示。
如所观察，在7小时的生产后，由MoO2表现出来的催化性能是相当稳定的，得到了94％的H2收率和100％的转化率。镍催化剂从100％的H2收率和68％的转化率开始。然而，在投入生产4小时后，这些值分别降至了59％和37％。用Ni催化剂所得到的低转化率是焦炭形成的直接结果，焦炭形成最终堵塞反应器并显著降低催化性能。
重整正十二烷
使用MoO2作为重整过程的催化材料，已进行了有限次数的研究。这些研究使用具有几微米范围内的粒径和小于10m2/g的BET表面积的商购MoO2来进行。通过使用MoO2纳米粒子(MDNP)，显著增加每克总反应表面积并从而实现具有较高效率水平的重整过程是可能的。在此，我们分析MDNP对于Jet-A燃料代用品的部分氧化的催化性能，其简化了从形成喷气燃料的不同类型的烃所产生的复杂性。对于Jet-A，碳原子的数目通常是在8-16之间。在这个特定的研究中，我们使用正十二烷(C12H26)作为燃料代用品，假设链烷烃组成了Jet-A燃料中存在的最大量类型的化合物。
通过在钼前驱体溶液相中的还原合成MDNP，如其它地方所描述。在这个工作中所使用的钼源是购自AmericanElements的三氧化钼粉末(MoO3)。将体积比1∶3的乙二醇和蒸馏水加入到在45ml的特氟隆内衬通用容器(ParrInstrumentCompany)中的0.3g的MoO3粉末中，然后将该容器密封并加热至180℃，持续12小时。因为发现1∶3的液体比率直接生成纯的MoO2，而不需要任何后合成的还原，因此选择1∶3的液体比率。冷却后，从溶液中过滤出深色的MoO2并在100℃下风干。通过X射线衍射(XRD)、透射电子显微术(TEM)和BET氮吸附，表征由此制备的MDNP。此外，将我们自制的MDNP的催化性能与用商购的低表面积的MoO2所得到的催化性能相比较。
使用CoulterSA-3100自动化表征机器且在30分钟期间使样品在513K的真空下先脱气，进行BET表面积测量。使用SEM(在15kV下操作的FEISirion)和TEM(在200kV下操作的PhilipsCM-200)两者，检查粉状样品的形态学。使用具有CoKα辐射和Fe过滤器的Philips衍射仪中的Bragg-Brentano光学配置，得到X射线衍射图。
图6显示了用来在部分氧化条件下测量催化材料的活性的实验装置的示意图。通过放置在12mm固定床管状(石英)反应器内部的石英棉塞负载催化剂样品(自制MDNP或从AlfaAesar商购的MoO2)。在活性测试之前，未应用催化剂预处理。将仅由正十二烷组成的液体进料供应至500℃的炉中，液体进料在炉中被蒸发并与用作氧源的空气混合。使用该炉内的碳化硅床以促进反应物的混合。校正的注射泵和质量流量控制器允许分别控制液体燃料的流速和空气的流速。将出口流冷却至5℃以将水、未反应的燃料及其它可能的可冷凝产物从气体产物中分离。使用具有TCD检测器和Shincarbon填充柱的SRI色谱仪监控干燥的废气的组成，以确定H2、CO、CO2和CH4的浓度。分析之前，首先在氦气下使用过的样品在反应器内部冷却至室温。
根据H2收率、CO收率和转化率，分析催化性能。在这个工作中，氢气收率被定义为所产生的氢气与燃料所提供的氢气之间的比率。类似地，CO收率被估计为废气中的一氧化碳和燃料中的总碳量之间的比率。最后，转化率被计算成气体产物中含碳化合物(即CO、CO2和CH4)的总量和燃料中的总碳量之间的比率。
所确定的商业MoO2的BET表面积和自制MDNP的BET表面积分别是4m2/g和48m2/g。这些样品的衍射图显示在2θ＝30.5°和44.0°处的两个强峰，其是二氧化钼相的特征。如所预期的，在MDNP的图中所得到的峰要宽于商业MoO2的图中所发现的那些峰。这个观察与从BET测量所得到的表面积的差异与在SEM图像和TEM图像中所观察到的MDNP的较小粒径是一致的(参见图7)。
商业MoO2似乎是由形成几微米的较大附聚物的约100nm的小粒子形成。这些粒子的形状是不一致的且它们中的一些看起来像圆形的谷粒而其它粒子则表现出棒样形状。相反，MDNP表现出具有约40nm的球形谷粒的更一致的形态学，其还形成更大的微米尺寸的附聚物。只考虑粒径，表面积之间的预期比率是100/40；然而，BET测量显示48/4的比率，这可通过考虑多孔结构方面的差异来解释。因此，MDNP不仅显示出更小的粒径，而且它们似乎具有比商业MoO2粒子的孔体积大的孔体积。
为了考察MDNP对于正十二烷的部分氧化的催化活性，在850℃和1atm下，采用1.1h-1的重时空速WHSV和0.5的O2/C比率，进行活性测试。可如下所示，描述过程：
C12H26+6O2-＞12CO+13H2
将操作温度选择成防止碳形成，因为在这样的温度下，逆Boudouard反应是热力学有利的。此外，所选择的温度足够高以使动力学限制最小化。基于我们的热力学计算，将O2/C比率设置为0.5，热力学计算表明小于0.5的比率促进催化材料中的碳形成而大于0.5的比率导致CO2和H2O的浓度的增加，作为燃料的完全氧化的结果。图8显示了在指定的操作条件下MDNP的催化性能的时间演变。如所见，过程需要约一小时以达到稳态条件，在该点H2收率、CO收率和转化率分别变成约85％、85％和80％。如从反应的化学计量学所预期的，0.5的O2/C比率导致小浓度的CO2而H2的浓度和CO的浓度分别达到了约25％和20％的值。减小的CH4浓度表明燃料的热裂解以低的比率发生。
图9显示了空速WHSV对自制的MDNP的催化性能的影响。为这个测试所选择的操作条件是850℃、1atm和0.5的O2/C比率。所考虑的WHSV范围是1-10h-1。如所注意，当WHSV从1h-1增加至10h-1，转化率从97％降低至91％。H2收率和CO收率分别逐步地从90％减小至73％和从88％减小至72％，而H2、CO、CO2和CH4的浓度似乎未显著受到WHSV增加的影响，这表明在反应机理中未发生改变。
图10特别重要，因为它允许比较WHSV对MDNP和商业MoO2粒子两者的催化性能的影响。从热力学计算估计的在平衡条件下的H2生产率作为参考被包括用于比较目的。如所见，两种催化剂的H2生产率是彼此类似的，当WHSV从1h-1增加至7h-1，呈现出线性增加；然而，对于MDNP所得到的那些速率似乎更接近于平衡值。然而，在高于7h-1的WHSV下，在催化活性方面，样品之间的差异变得显著。这种增加的差异可归因于商业MoO2样品的失活的反应机理的改变。当WHSV变得大于7h-1，商业样品的活性展示出H2生产率的显著下降，而MDNP显示出H2生产率的持续增加。
为了考察在大的WHSV下催化材料的性能之间的差异的原因，使用TEM和SEM检查用过的催化剂样品，且所得到的图像在图11示出。如所观察，SEM显微照片显示了催化剂样品之间的在形态学方面的显著差异。因此，用过的商业样品(图11a)显示了完全不同的粒子形状，其现在类似于更大尺寸的无定形附聚物的形状。相反，MDNP的形状和粒子尺寸(图11b)保持几乎没有被重整环境改变，这表明明显没有对MDNP的烧结影响。TEM图像证实了这些观察，且此外显示商业MoO2粒子的封装(图11c)作为环绕此类粒子的环状结构的形成的结果。MDNP(图11d)未表现出这种行为。图11所示的两种样品的电子衍射图与从XRD分析所得到的图(未显示数据)是一致的，且表示了在用过的商业样品的本体中二氧化钼和碳化钼的混合物的存在及在用过的MDNP中只有碳化物相的存在，这是热力学有利的。
使用更表面灵敏的技术比如EDX分析用过的样品的外部区域。如图12所见，商业样品光谱表现出三个主要的峰：一个与碳的出现相关的高峰，另一个归因于氧，且第三个归属于钼。对于MDNP，它们的EDX光谱显示出相同数目的峰，尽管在相对强度方面有一些差异。因此，碳峰似乎要比商业样品所检测到的碳峰小得多，而氧峰和钼峰表现出与商业样品所发现的那些相同的相对强度。
如上所述，液体烃经MoO2催化剂的部分氧化似乎遵循Mars-vanKrevelen反应机理，根据该机理，烃分子首先分解成氢气和较小的含碳片段。机理的下一阶段涉及由金属氧化物的晶格结构提供的氧原子的插入，这产生了被气相氧充满的空位。在多相催化中，反应速率显著受到可利用的活性部位的数目影响，该数目随着催化剂表面积增大而变得更大。因此，接着由MDNP所表现出来的高稳定性可归因于在它们的表面上可利用的充足的活性部位的存在。已知电子衍射分析和XRD分析只显示本体中的碳化钼，那么反应机理可能涉及只有少数的氧化物层的参与，这由于此类技术的灵敏性而未能检测到。然而，通过在EDX光谱中所发现的氧峰，支持了氧化钼存在MDNP的外部区域中。如SEM图像和TEM图像所示，有效烧结的缺乏导致以下结论：MDNP实际上转化成炭化钼纳米粒子，炭化钼纳米粒子的表面包含充足的活性部位(由二氧化钼相提供)以甚至在高WHSV下维持反应机理。
对于商业MoO2粒子，观察到不同的行为。在7h-1以下的WHSV下，由于粒子表面上可利用的活性部位的存在，性能类似于MDNP的性能。然而，在7h-1以上的比率下，活性部位的不足导致了主要反应机理的改变。因此，热裂解的反应速率和气相氧化的反应速率变得大于Mars-vanKrevelen机理的那些速率。热裂解促进了甲烷和元素碳的形成，而气相氧化导致了碳氧化物的形成。这与用SEM观察到的形态学和用TEM检测到的粒子封装是一致的。然后，由经由燃料的热裂解产生的碳形成环状结构，这似乎与在这个样品的EDX光谱中观察到的显著高度的碳峰是一致的。由过多的碳引起的粒子封装防止了烃分子与位于催化剂表面的活性部位的相互作用，且因此，预期催化剂性能下降。此外，碳环状结构可防止氧从粒子的本体结构扩散到气相中，这可解释在二氧化物到碳化物相变中观察到的且用电子衍射和XRD检测到的延迟。
总之，本样品证明对于经由Jet-A燃料代用品的部分氧化的将用于燃料电池应用的合成气的生产，MDNP具有高催化活性。由二氧化钼表现出来的抗焦化性和耐硫性及其导电性使得这种催化剂是独特的且适合于用于直接烃SOFC的供选择的阳极催化材料的开发。
测试商业MoO2催化剂用于从Boeing得到的具有C18.6H39.0O2.4的估计化学式的生物柴油的部分氧化(参见图14(A))。这与2008年VirginAtlanticAirlines在伦敦和阿姆斯特丹之间成功飞行Boeing747所用的同样的生物柴油。将MoO2的性能与使用镍催化剂所得到的性能相比较。用于这个测试的操作条件是：O/C＝1.0(化学计量比)，WHSV＝1.9h-1和T＝850℃。如图14(B)所示，甚至在投入生产24小时后，由MoO2表现出来的催化性能是相当稳定的，得到～60％的氢气收率和～100％的碳转化率。图14(C)显示了根据图14(B)用生物柴油对其测试24小时后的MoO2的能量分散X射线能谱(EDX)数据和SEM图像。EDX数据提供了用过的样品的元素分析。根据图14(C)，从用过的MoO2催化剂中未检测到显著的焦炭形成。用于比较，镍催化剂从75％的氢气收率和79％的转化率开始。然而，在投入生产4小时后，这些值分别减小至45％和42％。用镍催化剂所得到的低转化率是焦炭形成的直接结果，焦炭形成最终堵塞反应器。这个实例清楚地表明，在含氧重质烃的部分氧化过程中，MoO2催化剂具有格外高的抗焦化性。而且，当10wt％的Ni被湿浸渍在MoO2上时，与纯MoO2的H2收率相比，其H2收率增加，同时保持100％的碳转化率。这个结果表明改进MoO2的金属性质导致其用于高H2收率的改进的选择性。然而，由于焦化，其最终失活，因为大量的Ni整体提供了焦炭形成的部位。作为本发明的一部分，通过使用RuO2、其它金属氧化物和/或金属作为掺杂材料直接改变MoO2的金属-金属键距，将使MoO2的金属性质增加，而不会在其表面上产生大量的金属整体部位。
在以下编号段落中，更为详细地描述了特定的实施方式：
1.一种组合物，包括：
催化剂材料，其包含具有从约2nm至约1000nm的平均粒径的二氧化钼；及
基材，其中二氧化钼纳米粒子基本上固定在基材上。
2.段落1的组合物，其中二氧化钼纳米粒子具有小于约500nm的平均粒径。
3.段落1的组合物，其中二氧化钼纳米粒子具有小于约200nm的平均粒径。
4.段落1的组合物，其中基材选自由沸石、SiO2、CeO2、ZrO2和CeZrO2组成的组。
5.一种用于燃料电池的阳极，包括段落1的组合物。
6.一种燃料电池，包括段落5的阳极。
7.一种燃料电池，包括：
阴极；
阳极，其包括包含二氧化钼纳米粒子的催化剂材料；
及基体材料；及
电解质，其布置在所述阴极和所述阳极之间。
8.段落7的燃料电池，其中二氧化钼纳米粒子基本上固定在基体材料上。
9.段落8的燃料电池，其中所述基体材料是陶瓷。
10.段落8的燃料电池，其中所述基体材料包括钇稳定的氧化锆和钐掺杂的二氧化铈中的至少一种。
11.段落7的燃料电池，其中所述催化剂材料具有在约1纳米至约200纳米范围内的平均粒径。
12.段落7的燃料电池，其中所述催化剂材料具有在约200纳米至约1000纳米范围内的平均粒径。
13.段落7的燃料电池，其中所述催化剂材料具有至少约10平方米每克的表面积。
14.段落7的燃料电池，其中所述催化剂材料具有至少约50平方米每克的表面积。
15.段落7的燃料电池，其中所述催化剂材料具有至少约100平方米每克的表面积。
16.段落7的燃料电池，其中所述电解质由固体氧化物形成。
17.一种固体氧化物燃料电池，包括：
阴极，其由第一陶瓷材料形成；
阳极，其包括包含由第二陶瓷材料负载的二氧化钼纳米粒子的催化剂材料，所述催化剂材料具有小于约1000纳米的平均粒径；及
电解质，其在所述阴极和所述阳极之间，所述电解质由第三陶瓷材料形成。
18.段落17的固体氧化物燃料电池，其中所述第二陶瓷材料和所述第三陶瓷材料是相同的。
19.段落17的固体氧化物燃料电池，其中所述催化剂材料具有至少约100平方米每克的表面积。
20.一种为外部负载电路提供动力的方法，包括以下步骤：
提供包括阳极、阴极和电解质的固体氧化物燃料电池，所述阳极包括催化剂材料；
使所述阳极和所述阴极电耦合到所述外部负载电路；
将烃供应至所述阳极；及
将氧化剂供应至所述阴极。
21.段落20的方法，其中所述催化剂材料具有在约1纳米至约200纳米范围内的平均粒径。
22.段落20的方法，其中所述催化剂材料具有至少约10平方米每克的表面积。
23.段落20的方法，其中所述催化剂材料具有至少约50平方米每克的表面积。
24.段落20的方法，其中所述催化剂材料具有至少约100平方米每克的表面积。
25.段落20的方法，其中所述烃是基于石油的燃料。
26.段落20的方法，其中所述烃是Jet-A喷气燃料。
尽管已关于具体的实施方式和实例描述了本发明，但本领域的技术人员将易于明白，本发明的修改和改编是可能的，而不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明的范围只由以下权利要求限定。

Claims (18)

1.一种燃料电池，包括：
阴极；
由二氧化钼(MoO2)纳米粒子构建成的阳极催化剂材料；及
电解质，其布置在所述阴极和所述阳极之间，其中所述阴极和所述阳极构建成在经受800-1000℃之间的温度时具有匹配所述电解质的热膨胀的热膨胀系数。
2.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述二氧化钼纳米粒子固定在基体材料上。
3.如权利要求2所述的燃料电池，其中所述基体材料是陶瓷。
4.如权利要求2或3所述的燃料电池，其中所述基体材料包括钇稳定的氧化锆和钐掺杂的二氧化铈中的至少一种。
5.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池，其中所述催化剂材料具有在1纳米至200纳米范围内的平均粒径。
6.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池，其中所述催化剂材料具有在200纳米至1000纳米范围内的平均粒径。
7.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池，其中所述催化剂材料具有至少10平方米每克的表面积。
8.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池，其中所述电解质由固体氧化物形成。
9.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池，其中所述催化剂材料掺杂有另一种金属。
10.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池，其中所述催化剂材料掺杂有选自SiO2、TiO2、SnO2、CeO2、Co、Ni、Cu、Rh、Ag、Ir和Pd的组的至少一种掺杂剂。
11.如权利要求1至3中任一项所述的燃料电池，其中所述燃料电池是固体氧化物燃料电池。
12.如权利要求1所述的燃料电池，其中所述燃料电池是固体氧化物燃料电池：
其中所述阴极由第一陶瓷材料形成；
其中由二氧化钼(MoO2)纳米粒子构建成的所述催化剂材料由第二陶瓷材料负载，且具有小于1000纳米的平均粒径；且
其中所述电解质由第三陶瓷材料形成。
13.如权利要求12所述的燃料电池，其中所述第二陶瓷材料和所述第三陶瓷材料是相同的。
14.一种用于为外部负载电路提供动力的方法，包括以下步骤：
提供包括阳极、阴极和电解质的固体氧化物燃料电池，所述阳极包括由二氧化钼(MoO2)纳米粒子构建成的催化剂材料，并且其中所述阴极和所述阳极构建成在经受800-1000℃之间的温度时具有匹配所述电解质的热膨胀的热膨胀系数；
使所述阳极和所述阴极电耦合到所述外部负载电路；
将烃供应至所述阳极；及
将氧化剂供应至所述阴极。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述催化剂材料具有在1纳米至200纳米范围内的平均粒径。
16.如权利要求14或15所述的方法，其中所述催化剂材料具有至少10平方米每克的表面积。
17.如权利要求14或15所述的方法，其中所述烃是Jet-A喷气燃料。
18.如权利要求14或15所述的方法，其中所述烃是含氧烃。
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