close

點擊藍字關注我們


01


研究背景

煤、石油和天然氣等碳基能源的大量消耗,使大氣中的CO2濃度迅速上升至418 ppm,並將以2.5 ppm/年的速率繼續增長。二氧化碳的過量排放導致的氣候變化和環境問題引起了國際社會的廣泛關注。近年來,風能、太陽能等可再生能源的利用比例逐漸提高,但其發電過程受地域和時空環境的影響,電能供給波動大,整體利用率仍然不高。固體氧化物電解池(SOEC)耦合可再生電能的技術,既可實現CO2高效的電解和利用,也可實現可再生能源的存儲,具有廣闊的應用前景,吸引着國內外學者的極大興趣。SOEC陰極是發生CO2還原反應(CO2RR)的關鍵部件,開發具有高催化活性和耐久性的陰極材料是SOEC領域的難點和熱點。

02


研究工作簡介

近日,中科大材料系夏長榮教授團隊和張少威博士生,在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上發表了題為「Perovskite oxyfluoride ceramic with in situ exsolved Ni−Fe nanoparticles for direct CO2electrolysis in solid oxide electrolysis cells」的研究論文。該工作基於團隊早期報道的Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ(SFM)基鈣鈦礦SOEC陰極材料(ACS Sustainable Chem. Eng. 2017, 5, 11403−11412,Adv. Energy Mater. 2018, 1803156),採用A位缺位設計,B位Ni-Fe合金脫溶和O位F摻雜的綜合策略,協同優化SFM電極的表面和體相傳輸性質,發展了一種高性能且穩定的Ni-Fe納米合金原位脫溶修飾的氧氟鈣鈦礦陰極(Sr1.9Fe1.5Mo0.4Ni0.1O6-δF0.1,NiFe@SFMNi-F),實現了CO2直接高效的電解,具體設計策略如圖1所示。


03


工作的亮點、新穎性和意義

1、採用A位缺位的設計,促進了Ni-Fe納米合金的脫溶析出,並有效抑制了脫溶過程中的Sr偏析;

2、B位的Ni-Fe納米合金原位脫溶,均勻地錨定在鈣鈦礦氧化物母體上,形成金屬-氧化物異質結,有效提升了對CO2的吸附活性;

3、O位的F摻雜,促進了氧離子的體相傳輸,Ni-Fe合金脫溶析出加快了CO2的表面反應動力學,使得CO2表面反應速率常數(kchem)和氧離子體擴散係數(Dchem)提升了2~3倍。

4、對稱電池在50%CO-50%CO2混合氣氛中測試結果表明,800 ℃, NiFe@SFMNi-F~SDC電極的極化阻抗(Rp)僅有0.31 Ω cm2,與SFM~SDC電極相比,Rp降低了~52%。

5、以SFMNi-F~SDC為陰極的單電池直接電解純CO2,在800 ℃和1.5 V電解電壓下,實現了2.66 A cm-2的電流密度,遠高於單一策略修飾的SFM陰極;連續運行超140小時後,陰極無積碳產生。

綜上所述,本工作採用A位缺位設計,B位Ni-Fe合金脫溶和O位F摻雜的綜合策略,協同優化SFM鈣鈦礦氧化物的表面和體相,開發了一種高性能的Ni-Fe納米合金修飾的氧氟鈣鈦礦陰極直接電解CO2,為鈣鈦礦氧化物電極的發展提供了新的設計思路。

該論文第一作者是中國科學技術大學博士生張少威,通訊作者是中國科學技術大學材料科學與工程系、中科院能量轉換材料重點實驗室夏長榮教授。本工作在國家基金委「能源有序轉化」基礎科學中心項目(No.51888103),國家重點研發計劃(2021YFB4001401)和國家自然科學基金(51972298)的資助和支持下完成。

04


論文信息

作者:張少威,蔣玉楠,韓海瑞,李一航,夏長榮*

文章題目:Perovskite Oxyfluoride Ceramic with In Situ Exsolved Ni−Fe Nanoparticles for Direct CO2Electrolysis in Solid Oxide Electrolysis Cells

期刊名:ACS Applied Materials & Interfaces

年份:2022年

DOI號:https://doi.org/10.1021/acsami.2c05324

05


研究團隊簡介

夏長榮,中國科學技術大學教授,博士生導師。二十餘年來,一直致力於固體氧化物燃料電池(SOFC)、固體氧化物電解池(SOEC)及相關材料和反應機理的研究。主持和參與國家級重點、面上、科技部863、973等項目10餘項。在Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater.Interfaces, J. Power Sources等期刊上發表SCI論文300多篇,被引11000餘次,H因子58。

詳情可訪問夏長榮教授課題組主頁:http://staff.ustc.edu.cn/~xiacr/

原文鏈接https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c05324

相關進展

福州大學徐峰副教授、武漢理工大學木士春教授《Small》: 「多孔PtCu合金納米管幾何工程:提升甲醇氧化和氧還原反應能力」

南昌航空大學葉志國教授、南京大學金鐘教授《ACS AMI》:氮碳共滲改性提升雙連續納米多孔合金的析氧性能

清華李寶華、湖南大學劉琦EnSM:巧妙原位構築LiF@Li-Zn合金納米多功能層-顯著改善LAGP|Li界面兼容性

化學與材料科學原創文章。歡迎個人轉發和分享,刊物或媒體如需轉載,請聯繫郵箱:chen@chemshow.cn

掃二維碼|關注我們

微信號 :Chem-MSE



誠邀投稿


歡迎專家學者提供化學化工、材料科學與工程產學研方面的稿件至chen@chemshow.cn,並請註明詳細聯繫信息。化學與材料科學®會及時選用推送。

arrow
arrow
    全站熱搜
    創作者介紹
    創作者 鑽石舞台 的頭像
    鑽石舞台

    鑽石舞台

    鑽石舞台 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()