电解制样设备

近日，大连化物所催化基础国家重点实验室包信和院士、汪国雄研究员与吕厚甫博士团队在高温CO2电解研究中取得新进展，通过电化学原位表征研究，揭示了固体氧化物电解器阴极动态重构和CO2电解反应机制。 　　固体氧化物电解器(Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC)在高温条件下利用可再生能源将CO2高效电解还原为CO，是一种极具工业应用潜力的负碳技术。然而，在CO2电解过程中，对SOEC阴极催化活性位点原位动态重构及CO2吸附活化机理认识仍然不足。本工作中，研究团队借助高温原位电化学X射线衍射(XRD)、近环境压力X射线光电子能谱(NAP-XPS)和原位X射线吸收光谱(XAS)等表征方法，深入研究了Ir掺杂的Sr2Fe1.45Ir0.05Mo0.5O6-δ(SFIrM)钙钛矿催化剂的动态电化学重构特性以及CO2吸附活化机制。研究发现，SFIrM钙钛矿阴极在CO2电解过程中表面偏析溶出高分散、高密度IrFe合金纳米颗粒(粒径约1.0nm，密度高于80000μm-2)；并且IrFe合金纳米颗粒表现出随电压施加和停止相应形成和消失的特征，阐明了电压作为主要驱动力在CO2电解过程中原位促使IrFe合金纳米颗粒在钙钛矿表面溶出的机制。 　　此外，碳酸盐物种作为CO2吸附和活化反应中间体在原位NAP-XPS中被观测到，其强度随IrFe@SFIrM界面的形成与消失而相应变化。相对于未发生表面溶出的Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ电极，SFIrM电极具有更高的碳酸盐/CO2面积比，证明IrFe@SFIrM界面作为CO2电解反应中的催化活性位点，表现出更高的CO2吸附活化能力。IrFe合金纳米颗粒可通过短暂氧化实现再分散，进一步提高了SOEC中CO2电解稳定性。 　　本研究阐明了SFIrM阴极的表面重构过程和催化作用机制，有助于深入研究认识SOEC中CO2电解过程。 　　相关工作以“In situ electrochemical reconstruction of Sr2Fe1.45Ir0.05Mo0.5O6-δ perovskite cathode for CO2 electrolysis in solid oxide electrolysis cells” 为题，发表在《国家科学评论》(National Science Review)上。该工作第一作者是我所502组博士研究生沈俞翔和刘天夫博士。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

近日，大连化物所燃料电池研究部燃料电池系统科学与工程研究中心（DNL0301组）研制出固体氧化物电解池制氢样机，额定产氢量为2Nm3/h。固体氧化物电解池（Solid Oxide Electrolysis Cell，SOEC）是固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）的逆过程，可在中高温（700至900℃）下将电能和热能转化为燃料化学能，具有能量转化效率高、不使用贵金属催化剂等优点。SOEC利用富余的可再生能源电力，以及核电、化工、钢铁等行业伴生的工业余热实现电解制氢，效率有望达到90%以上，是未来大规模制取氢气的重要技术之一。与国外相比，我国SOEC技术起步较晚，在电堆和系统制备等方面差距较为明显。近年来，该团队围绕SOEC关键材料、电堆与系统集成等方面，取得系列进展。团队发展了对称密封技术，展现出优异的密封性能，实现多次重启后电堆开路电位未见明显降低；研究开发了大功率电堆的气体分配技术，单堆功率达到10kW级；自主设计了高集成度的供水单元、供气单元和热管理单元，集成出额定产氢量2Nm3/h的SOEC制氢系统，直流能耗约3.30kWh/Nm3，水蒸气转化率达到70%以上。相关成果有望为进一步开发大规模固体氧化物电解池制氢系统奠定技术基础。上述工作得到大连化物所创新基金的支持。

近日，中国科学院院士、中科院大连化学物理研究所纳米与界面催化研究组研究员包信和与研究员汪国雄、高敦峰团队，在二氧化碳/一氧化碳电解制备燃料和化学品研究中取得新进展。该研究揭示了碱性膜电解器中二氧化碳/一氧化碳电催化还原反应覆盖度驱动的选择性变化机制，并组装出千瓦级电堆，为二氧化碳/一氧化碳电解的实际应用提供了参考。 　　二氧化碳电解反应利用可再生能源产生的电能将二氧化碳转化为高附加值燃料和化学品，是近年来快速发展、颇具应用前景的负碳技术。乙烯、乙酸和乙醇等多碳产物具有较高的能量密度和市场需求，是理想的电解产物。然而，在工业级电流密度下高选择性生成多碳产物仍存在挑战。 　　本工作基于钢铁工业排放出大量的二氧化碳/一氧化碳混合废气这一现状，通过改变进料气组成来调变碱性膜电解器阴极氧化铜催化剂的微环境，实现了在工业级电流密度下高效二氧化碳/一氧化碳电解制备多碳产物。随着进料气中一氧化碳压力的增加，电解主产物逐渐由乙烯转变为乙酸，且电流密度显著增加。在0.6 MPa CO条件下，乙酸法拉第效率为48%，总电流密度达到3 A cm-2。机理研究表明，产物选择性变化受到*CO覆盖度和局部pH值影响，低*CO覆盖度时优先生成乙烯，高*CO覆盖度和高局部pH值利于乙酸的形成。在优化的电解条件下，多碳产物的法拉第效率和分电流密度分别达到90.0%和3.1 A cm-2，对应于100.0%碳选择性和75.0%收率，优于热催化CO加氢反应。为进一步验证电解过程的可行性，该团队组装了4节100 cm2的碱性膜电堆，其电解功率最高达到2.85 kW，在总电流为150 A时，乙烯的生成速率为457.5 mL min-1；在总电流为250 A时，乙酸的生成速率为2.97 g min-1。该研究不仅为单一多碳产物的定向生成提供了重要参考，而且为二氧化碳/一氧化碳电解从实验室走向实际应用奠定了技术基础。 　　相关研究成果以Coverage-driven selectivity switch from ethylene to acetate in high-rate CO2/CO electrolysis为题，发表在《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项(A类)“变革性洁净能源关键技术与示范”等的支持。大连化物所揭示高效二氧化碳/一氧化碳电解反应的选择性变化机制