Energy Technology:原位溶出纳米电极实现高性能高稳定性二氧化碳高温电还原

固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell,SOEC)是一种新型高效的全固态能量转换装置,具有能量效率高、反应速率快、模块化、易组装等优点。利用SOEC可以高效地将剩余电能和太阳能、风能等可再生能源产生的电能通过二氧化碳(CO2)或水(H2O)裂解反应直接转化为化学能储存在氢气(H2)、一氧化碳(CO)或碳氢化合物燃料中,在CO2转化和可再生电能存储方面具有良好的应用前景。传统机械混磨金属陶瓷氧化物复合电极因具有优异的导电、电催化性能被用作SOEC阴极,但是Ni面临高温团聚、氧化还原失活、积碳、H2S中毒等一系列问题,极大地限制了电极的使用。因此发展新型稳定且高性能SOEC阴极对于推动SOEC的商业化进程具有重要意义。

近期,武汉大学刘通副研究员及其研究团队在设计开发新型二氧化碳高温电还原(CO2RR)用高性能高稳定性SOEC阴极材料方面取得了重要进展。以Pr、Mo共掺杂SrFeO3钙钛矿氧化物为母体,采用气体还原/电还原等技术手段将B位部分Fe离子原位溶出,形成Fe纳米金属颗粒修饰的钙钛矿(Fe@PSFM)纳米复合电极。采用XRD、XPS、SEM、TEM等技术手段发现了原位溶出的Fe纳米颗粒钉扎在钙钛矿母体近表面形成Fe@PSFM纳米复合电极,显著增强了电极反应活性以及纳米颗粒/母体骨架界面结合力,有望有效提高电极的电化学性能和长期稳定性。以PSFM为阴极构建固体氧化物电解池进行CO2电解研究,发现当电解电压高于1.5V时在外电压的驱动下,PSFM母体中部分Fe离子以金属纳米颗粒形式原位溶出形成Fe@PSFM纳米复合电极,展示了良好的电化学性能,如1.5V外电压条件下,电解池在800oC时的电解电流密度可达0.71Acm-2,CO2电还原速率约为4.70mLmin-1cm-2,明显优于其他钙钛矿氧化物电极;同时该电极在后续稳定性测试中无明显衰减及积碳,展示了良好的稳定性。原位溶出Fe@PSFM纳米复合电极较好地兼顾了SOEC的电化学性能和高温稳定性,是一种极具应用前景的CO2转化用SOEC阴极材料。

本工作为开发新型CO2RR用的高性能高稳定性SOEC阴极提供了新思路。相关成果在线发表在Energy Technology(DOI: 10.1002/ente.202000539)上, 并被选为当期封面文章(Front Cover)。