科學家繪制出電解池中二氧化碳電還原的熱力學反應相圖

　　近日，我所無機膜與催化新材料研究組（504組）楊維慎研究員、朱雪峰研究員團隊與科羅拉多礦業學院RP O’Harye教授合作，從熱力學角度出發，分析并繪制了固體氧化物電解池（SOECs）中二氧化碳電還原的熱力學反應相圖，揭示了操作過程中的能斯特電位（EN）是控制該體系中各種反應（CO2電還原、積碳反應和金屬Ni氧化）的決定性因素。相關研究結果可為SOECs的結構設計、操作條件優化等提供指導。

　　SOECs是一種高效的能源轉換器件，可將可再生電能轉化為化學能進行儲存。在該體系中，CO2電還原生成CO和O2，CO可作為燃料通過逆反應模式進行發電，或作為化工反應的原料。因此，SOECs被認為是一種有潛力的CO2減排技術。同時，作為一種全固態器件，SOECs可實現產物的原位分離，也被認為是一種在特殊場景中的高效制氧技術，氧氣純度理論可達100%。然而，在CO2電還原過程中，陰極催化劑Ni氧化和碳沉積被認為是限制SOECs技術發展的兩大難題，對器件的穩定運行造成威脅。

　　本工作中，為探究SOECs中不利反應的起源，研究團隊首先分析了該體系中各種電壓損失的縱向分布，建立了一維電化學反應理論模型，發現反應過程中形成的EN是控制Ni氧化和碳沉積的決定性因素。同時，研究團隊從控制化學反應的源頭出發，計算出不同反應條件（溫度、陽極氧分壓、陰極水分壓和陰極總氣體壓力等）下的SOECs穩定運行的EN操作窗口，并繪制了相關熱力學化學反應相圖。最后，研究團隊從實驗上驗證了上述理論分析結果。本工作揭示的Ni氧化和碳沉積的起源可以擴展到多相催化的其他領域，有利于反應條件優化，例如，選擇合理的操作溫度窗口、壓力、原料氣組成等。此外，本工作也有利于催化劑微結構設計，可通過改變催化劑表面以抑制有害的反應動力學或調節催化劑表面附近的局部氣氛。

　　相關研究成果以“Mapping a thermodynamic stability window to prevent detrimental reactions during CO2 electrolysis in solid oxide electrolysis cells”為題，于近日發表在Applied Catalysis B: Environmental上。該工作第一作者是我所博士后胡世慶。上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、我所創新基金等項目的資助。（文/圖 胡世慶）

　　相關鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.122239