第一作者：Yige Guo, Shuo Wang, Rongtan Li

通訊作者：汪國雄、宋月鋒

通訊單位：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所

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在固體氧化物電解池（SOECs）的陽極以有利的甲烷（CH₄）重整反應(yīng)取代緩慢的析氧反應(yīng)（OER），可以極大減少陰極上CO₂電還原的電力需求。然而，鈣鈦礦陽極對(duì)CO₂重整的活性和穩(wěn)定性一直有限。

在本文中，作者通過調(diào)整B位點(diǎn)組分的平均析出能量，實(shí)現(xiàn)了在La_0.6Sr_0.4Ti_0.3Fe_0.5Co_0.2O_3-d（LSTFC2）陽極表面上高密度CoFe合金納米粒子的析出，這些納米粒子在800 °C時(shí)表現(xiàn)出卓越的陽極CH₄重整性能，CH₄轉(zhuǎn)化率為86.9%，CO選擇性為90.1%，并且在1250 h的穩(wěn)定運(yùn)行中，CO選擇性保持在95%以上。

此外，CH₄輔助SOECs的CO生產(chǎn)電能消耗從傳統(tǒng)SOECs的3.46 kWh m^-3降低到0.31 kWh m^-3。本工作為熱力學(xué)上提升陰極CO₂電解還原性能并同時(shí)在陽極轉(zhuǎn)化CH₄為合成氣提供了一種高效策略。

圖文導(dǎo)讀

圖1：陽極POM催化劑的形態(tài)表征，包括掃描電子顯微鏡（SEM）圖譜、透射電子顯微鏡（TEM）圖譜、能量損失譜（EELS）元素圖，以及X射線吸收光譜（XAS）和X射線光電子能譜（XPS）結(jié)果。

圖2：CH₄活化能力和陽極POM性能測(cè)試，包括CH₄溫度程序表面反應(yīng)（TPSR）曲線和SOECs中的POM性能測(cè)試。

圖3：原子結(jié)構(gòu)與表面環(huán)境研究。X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）和擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）光譜對(duì)LSTFC2-R的原子結(jié)構(gòu)和表面環(huán)境進(jìn)行研究，以及準(zhǔn)原位XPS和原位透射電子顯微鏡（BF-STEM）圖像和EELS光譜。

圖4：CH₄激活的機(jī)理研究，包括原位紅外光譜（IR）和準(zhǔn)原位拉曼光譜，以及密度泛函理論（DFT）計(jì)算。

圖5：電化學(xué)性能，包括SOEC的示意圖、電化學(xué)阻抗譜（EIS）結(jié)果、電流密度-電壓（J-V）曲線，以及傳統(tǒng)SOEC和POM輔助SOEC在800 °C時(shí)的電力消耗比較。

總結(jié)展望

本文通過原位析出策略在LSTFCx陽極表面制備了穩(wěn)定的CoFe合金納米粒子，用于SOECs中的POM。通過優(yōu)化Co摻雜量來調(diào)整B位組分的平均析出能量，LSTFC2展現(xiàn)出最小的納米粒子尺寸和最高的析出納米粒子數(shù)量，表現(xiàn)出優(yōu)異的陽極POM性能和在800 °C時(shí)的穩(wěn)定性。

同時(shí)，POM的引入顯著降低了每立方米CO的電能消耗，從傳統(tǒng)SOECs的3.46 kWh m^-3降低到0.31 kWh m^-3。物理化學(xué)表征和DFT計(jì)算揭示了CH₄可能在納米粒子上發(fā)生裂解，生成H₂和炭，然后與溢流氧物種反應(yīng)生成CO。本工作為合理設(shè)計(jì)穩(wěn)定的POM輔助SOECs陽極提供了寶貴的見解，并激發(fā)了將CH₄電化學(xué)轉(zhuǎn)化為增值產(chǎn)品廣泛興趣。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：In situ exsolved CoFe alloy nanoparticles for stable anodic methane reforming in solid oxide electrolysis cells

期刊：Joule

DOI：10.1016/j.joule.2024.04.009