利用太阳能、风能等可再生清洁电能将CO2催化转化为高附加值化学品或燃料,在CO2转化和可再生电能存储方面表现出极具潜力的应用前景.高温固体氧化物电解池(SOEC)可将CO2电催化还原为CO,具有能量效率高、成本低等优点.目前,钙钛矿氧化物已被广泛应用于SOEC电解CO2的阴极材料,但存在电极催化活性低等问题,因而限制其规模化发展和应用.通常采用浸渍、原位溶出或掺杂等策略引入大量活性中心以提升钙钛矿氧化物电极性能.然而,这些策略仍然面临一些挑战,如浸渍法易引入大颗粒物种而堵塞气体传输通道,原位溶出法能耗较大且析出量较少,掺杂法调控活性幅度有限.因此,发展新型简便方法以合理构建具有高度分散活性位点的阴极材料,可有效拓展电化学三相反应界面,进而加快SOEC高温电解CO2的电极动力学速率.本文采用机械研磨法将1.0％NiO高度分散于La0.8Sr0.2FeO3-δ-Ce0.8Sm0.2O2-δ(Ni-LSF-SDC)表面,用作SOEC阴极材料进行CO2电解.扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜、扫描透射电子显微镜(STEM)和X射线衍射等结构表征表明,低载量的Ni物种高度分散在LSF-SDC表面,并不会堵塞载体的多孔网络结构,且与钙钛矿镯锶铁(LSF)具有更好的亲和性.X射线光电子能谱和程序升温脱附结果表明,高度分散的Ni物种改善了LSF-SDC的电子结构,不仅提升了体系中电子对的含量,还在体系中形成大量氧空位,显著提升了荷质传递效率.当Ni-LSF-SDC作为SOEC阴极时,在800℃,1.6 V时,CO2电解电流密度最高达到1.53 A·cm-2,比未经过Ni修饰的LSF-SDC阴极提高了约91％.同时Ni-LSF-SDC阴极表现出较高的稳定性,在800℃和1.2 V下稳定运行66 h后有微弱的性能衰减,电流衰减率为0.85 mA·cm-2·h-1.对稳定性测试后电解池的电极涂覆层截面进行SEM和STEM表征,结果表明,电极表面有少量极小的NiO颗粒形成,且集流体涂覆层的Au元素长时间运行后可迁移到电极内部,这些是导致电解池电解效率衰减的主要因素.总之,本文通过采用一种简便的方法制备出低载量高度分散的Ni修饰铁基钙钛矿阴极材料,高度分散的Ni物种可以调控钙钛矿氧化物载体的电子结构和氧空位浓度,显著提高了SOEC电解CO2性能.本文为合理设计和优化SOEC阴极CO2电催化材料的结构以提升其电催化性能提供了新思路.

CO2电解;固体氧化物电解池;钙钛矿氧化物;镍物种

周莹杰;刘天夫;宋月锋;吕厚甫;刘清雪;塔娜;张小敏;汪国雄

东华大学材料科学与工程学院,纤维材料改性国家重点实验室,上海201620;中国科学院大连化学物理研究所,催化基础国家重点实验室,中国科学院纳米科学卓越创新中心,洁净能源国家实验室,辽宁大连116023;中国科学院大学,北京100049

催化学报

[1]周莹杰;刘天夫;宋月锋;吕厚甫;刘清雪;塔娜;张小敏;汪国雄-.镍高度分散在铁基钙钛矿用于高温固体氧化物电解池阴极的CO2电催化还原研究)[J].催化学报,2022(07):1710-1718

2FeO3

铁基,矿用,固体氧化物电解池,电催化还原,原研,风能,清洁电能,催化转化,高附加值化学品,SOEC,原为,能量效率,钙钛矿氧化物,阴极材料,催化活性,规模化发展,溶出,活性中心,浸渍法,大颗粒,颗粒物,气体传输,传输通道,析出量,控活,合理构建,活性位点,三相,反应界面,高温电解,电极动力学,机械研磨,研磨法,NiO,La0,8Sr0,Ce0,8Sm0,2O2,LSF,SDC,扫描透射电子显微镜,STEM,结构表征,低载量,亲和性,光电子能谱,程序升温,脱附,电子结构,电子对,氧空位,电流密度,微弱,性能衰减,电流衰减,衰减率,mA,稳定性测试,涂覆,覆层,极小,粒形,集流体,Au,长时间运行,可迁移,致电,电解效率,效率衰减,总之,钙钛矿阴极,氧化物载体,合理设计,设计和优化,催化材料,电催化性能,镍物种

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