陶瓷电极高温电解二氧化碳制一氧化碳获进展

当前清洁高效的新能源包括核能、风能和太阳能等已经步入实用化运营阶段。然而，电能供给和需求因为自然条件周期性或间歇性变化难以达到平衡，出现了电能供给的间歇性或周期性的短缺或过剩。因此，大规模存储电能可有效平衡电能的波峰供给，而以清洁燃料的形式存储电能不仅规模大而且非常切合当前的能源基础设施。固体氧化物电解池是一种新型高效的能量转换器件，可高效电解CO₂/H₂O，将电能转化为燃料能源，法拉第电流效率可高达100%，在可再生能源利用方面具有重要的研究意义和商业化应用前景。固体氧化物电解池可以发展成为千瓦级电堆作为分散式储能系统或兆瓦级固定式电站，实现规模化制备清洁燃料存储电能，能很好地契合当前的化工生产过程和已有的能源基础设施。

基于固体氧化物电解池的人工碳循环过程，通过CO₂/H₂O电解得到合成气CO/H₂或直接制取低碳燃料，而通过工业费托合成（Fischer-Tropschsynthesis）可将合成气CO/H₂催化转化得到烃类和醇类等容易储存和运输的有机物。当电解CO₂的电能来源于太阳能、风能、潮汐能等可再生能源时，则实现了“碳中性”清洁能源循环。正如光合作用是自然界中碳循环的关键，而电解CO₂/H₂O则是实现人工碳循环的重要反应。人工碳循环过程的实现，对能源和环境等领域中遇到的可持续发展问题都具有重要意义。

陶瓷电极高温电解CO₂制备燃料的过程中，CO₂在阴极被还原，即CO₂得到电子，解离成氧离子，同时生成CO；在外电场的作用下，氧离子经过电解质，扩散到阳极；最后，氧离子在阳极释放电子，生成气态氧分子。总的电解反应方程为：2CO₂→2CO+O₂。因此，高温电解性能主要决定于电解质的直流电阻和两个电极的极化电阻，其中，阴极的极化电阻尤为重要。为实现CO₂的高效转化，必须提高阴极性能，即降低阴极的极化电阻或极化电动势。而决定阴极性能的主要因素是电极材料的催化性能和电极微结构，而微结构设计和优化的基础则是CO₂的还原反应动力学。

，通过协同控制SrTiO₃基陶瓷电极非化学计量比和掺杂，在陶瓷电极表面原位可逆“铆合(anchor)”粒径为60nm左右的纳米金属Ni催化剂提高电催化性能，同时通过活性元素如Mn/Cr掺杂构筑氧空位提高氧离子电导率，而氧空位的产生对 CO₂分子高温化学吸附性能也有根本性改善，基于氧空位与金属催化剂相互耦合构筑微纳米尺度的三相界面，进而构筑具有活性表面和界面的复合电极表界面新体系，大幅提高阴极直接电催化裂解还原CO₂的活性。该工作发展的这类新型陶瓷电极，能够实现高效电解转化CO₂制备CO燃料，而更为重要的是陶瓷电极在多次氧化还原循环后性能仍然稳定，满足了固体氧化物电堆或电站频繁启动的实用化技术要求，而这一关键技术也是制约当前固体氧化物电池堆实用化的瓶颈所在。相关成果发表在Nature Communications, 2017, 8: 14785。

此前该研究团队也基于调控陶瓷电极可逆相变发展出新型氧化还原可逆的陶瓷基复合电极Fe/FeV₂O₄，纳米铁催化剂通过原位生长“铆合”在FeV₂O₄电子导体表面，构筑具有异质结结构的纳米金属/陶瓷复合电极体系，实现了高效的高温电解水蒸气制氢（Advanced Science, 2016, 3, 1500186, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201500186/full）。

作者系中国科学院福建物质结构研究所科研人员