大連化物所揭示固體氧化物電解器陰極動態(tài)重構(gòu)和CO2電解反應(yīng)機制

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室包信和院士、汪國雄研究員與呂厚甫博士團隊在高溫CO2電解研究中取得新進(jìn)展，通過電化學(xué)原位表征研究，揭示了固體氧化物電解器陰極動態(tài)重構(gòu)和CO2電解反應(yīng)機制。
 

　　固體氧化物電解器(Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC)在高溫條件下利用可再生能源將CO2高效電解還原為CO，是一種極具工業(yè)應(yīng)用潛力的負(fù)碳技術(shù)。然而，在CO2電解過程中，對SOEC陰極催化活性位點原位動態(tài)重構(gòu)及CO2吸附活化機理認(rèn)識仍然不足。
 

　　本工作中，研究團隊借助高溫原位電化學(xué)X射線衍射(XRD)、近環(huán)境壓力X射線光電子能譜(NAP-XPS)和原位X射線吸收光譜(XAS)等表征方法，深入研究了Ir摻雜的Sr2Fe1.45Ir0.05Mo0.5O6-δ(SFIrM)鈣鈦礦催化劑的動態(tài)電化學(xué)重構(gòu)特性以及CO2吸附活化機制。研究發(fā)現(xiàn)，SFIrM鈣鈦礦陰極在CO2電解過程中表面偏析溶出高分散、高密度IrFe合金納米顆粒(粒徑約1.0nm，密度高于80000μm-2)；并且IrFe合金納米顆粒表現(xiàn)出隨電壓施加和停止相應(yīng)形成和消失的特征，闡明了電壓作為主要驅(qū)動力在CO2電解過程中原位促使IrFe合金納米顆粒在鈣鈦礦表面溶出的機制。
 

　　此外，碳酸鹽物種作為CO2吸附和活化反應(yīng)中間體在原位NAP-XPS中被觀測到，其強度隨IrFe@SFIrM界面的形成與消失而相應(yīng)變化。相對于未發(fā)生表面溶出的Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ電極，SFIrM電極具有更高的碳酸鹽/CO2面積比，證明IrFe@SFIrM界面作為CO2電解反應(yīng)中的催化活性位點，表現(xiàn)出更高的CO2吸附活化能力。IrFe合金納米顆粒可通過短暫氧化實現(xiàn)再分散，進(jìn)一步提高了SOEC中CO2電解穩(wěn)定性。
 

　　本研究闡明了SFIrM陰極的表面重構(gòu)過程和催化作用機制，有助于深入研究認(rèn)識SOEC中CO2電解過程。
 

　　相關(guān)工作以“In situ electrochemical reconstruction of Sr2Fe1.45Ir0.05Mo0.5O6-δ perovskite cathode for CO2 electrolysis in solid oxide electrolysis cells” 為題，發(fā)表在《國家科學(xué)評論》(National Science Review)上。該工作第一作者是我所502組博士研究生沈俞翔和劉天夫博士。該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。 (文/圖 沈俞翔、劉天夫)