新型氧化还原可逆的Fe/FeV2O4复合阴极高温电解水蒸气制氢

固体氧化物电解池可直接电解水蒸气制备氢燃料,在能源转换和利用方面具有重要的研究价值和应用前景。传统金属陶瓷Ni-YSZ 复合体系具有优异的电催化性能和良好的电子导电性,可作为固体氧化物电解池阴极在还原气氛保护下电催化裂解水蒸气。然而Ni-YSZ复合阴极体系由于氧化还原稳定性较弱,直接高温电解水蒸气时,金属Ni易氧化失去电催化活性和导电性,导致复合电极性能衰竭。这主要是催化活性较强的金属Ni容易与水蒸气发生反应生成NiO,而NiO 高温下的电子电导率非常低也没有催化活性。而Ni-YSZ复合电极多次热循环使体积也循环膨胀,导致电极与电解质层易分离脱落。基于氧化还原稳定/可逆的氧化物陶瓷电极材料发展可直接高温电解且热循环性能优良的复合阴极体系是解决上述难题的可行途径。氧化物陶瓷电极本身即为电子(空穴)和氧离子的混合导体材料,催化裂解水蒸气的反应可发生在电极三相界面,即气体-陶瓷电极-电解质的三相界面。

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中国科学院福建物质结构研究所谢奎研究员及其研究团队发展出新型氧化还原可逆的陶瓷基复合电极Fe/FeV2O4体系,而纳米铁催化剂通过原位生长“铆合(anchor)”在 FeV2O4电子导体基表面,构筑具有异质结结构的纳米金属/陶瓷复合电极体系,并与电解质YSZ复合形成气体-陶瓷电极-电解质的三相界面,实现直接高效的高温电解水蒸气制备氢气燃料。尖晶石结构的FeV2O4中的V3+贡献2个自由电子,而体相中八面体共边和共面结构则提供了电子通道,因而FeV2O4成为了优良的电子导体材料。纳米铁铆合的FeV2O4复合材料则具有优良的电催化性能,直接高温电解水蒸气电流效率高达98%。而复合体系氧化后则生成单相陶瓷FeVO4材料,还原后则可逆生成Fe/FeV2O4复合体系,该可逆转变的特点,从根本上也解决了固体氧化物电池的热循环难题。

相关工作得到国家自然科学基金重大研究计划及中科院海西院百人计划项目的资助,相关论文在线发表在Adv. Sci. 2015, DOI: 10.1002/advs.201500186