科學家研發出高效鈣鈦礦陽極催化劑

近日，中國科學院大連化學物理研究所在固體氧化物電解器（SOEC）陽極甲烷重整催化劑設計方面取得新進展，通過原位溶出技術構筑金屬/氧化物活性界面，開發出了高效、穩定的電化學重整催化劑，并結合多種原位物理化學表征手段，揭示了SOEC陽極甲烷重整機理。相關成果發表在《焦耳》。

SOEC因其電解效率高，穩定性好，模塊化程度高等優勢，被認為是一種具有應用潛力的二氧化碳電解器件。在SOEC陽極以甲烷半氧化重整反應替代緩慢的析氧反應，有利于降低二氧化碳電解總能耗。然而，傳統的鈣鈦礦陽極材料甲烷重整活性低、穩定性差，因此設計高活性陽極甲烷重整催化劑具有重要意義。

該團隊長期致力于基于固體氧化物電解池的高溫電催化研究，前期利用原位溶出和高溫分散法開發出了一系列高活性電化學表界面，用于高溫電極反應。本工作中，團隊通過調控La_0.6Sr_0.4Ti_0.3Fe_0.7-xCo_xO_3-δ陽極鈣鈦礦中B位Co\Fe比例，優化B位過渡金屬溶出能，實現在La_0.6Sr_0.4Ti_0.3Fe_0.5Co_0.2O_3-δ（LSTFC2）鈣鈦礦表面原位溶出生成平均粒徑最小為7nm、顆粒密度最高為1087個μm^-2的CoFe合金納米顆粒，為陽極CH₄轉化提供了充足活性位點。

研究還發現，電驅動產生的溢流氧也可進一步促進甲烷吸附活化、抑制積碳形成，從而提升了陽極催化劑活性和穩定性。800°C下，LSTFC2陽極CH₄轉化率可達到86.9%，一氧化碳選擇性達到90.1%，連續穩定運行1250 小時無顯著衰減。電化學性能測試表明，陽極引入甲烷半氧化重整反應后，一氧化碳生產能耗從傳統SOEC的3.46 kWh/m³降低到0.31 kWh/m³。

本工作為C1小分子升級轉化提供了新的研究思路。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.04.009