我所构建高密度金属/钙钛矿界面实现高效稳定二氧化碳电解

  近日,我所催化基础国家重点实验室汪国雄研究员和包信和院士团队,与日本日立公司松本弘昭和曾超斌高级工程师合作,在高温CO2电解研究方面取得新进展,通过氧化还原循环处理,构建了高密度金属/钙钛矿界面,显著提高了固体氧化物电解池CO2电解性能和稳定性。

  固体氧化物电解池可在阴极将CO2和H2O转化为合成气、烃类燃料,并在阳极产生高纯O2,具有反应速率快、能量效率高、成本低等优点,在CO2转化和可再生清洁电能存储方面具有重要的应用潜力。

  钙钛矿型氧化物因其优异的可掺杂能力、抗积碳能力、氧化还原稳定性等,在催化和能源领域受到广泛关注。然而,与传统镍基阴极相比,钙钛矿电极因电催化活性不足导致其应用受到限制。将活性组分掺杂到钙钛矿体相,进而在还原气氛下原位溶出金属纳米颗粒,构建金属/钙钛矿界面,是一种提高CO2电解性能的有效途径。但金属纳米颗粒溶出仍存在颗粒密度低和颗粒尺寸大等缺点,此外金属/钙钛矿界面形成机制以及催化机理缺乏直观的原位动态认识。

  本工作中,研究团队制备了Ru掺杂的Sr2Fe1.4Ru0.1Mo0.5O6-δ(SFRuM)双钙钛矿,通过氧化还原循环处理使RuFe合金纳米颗粒密度从5900个μm-2(R1)增加到22680个μm-2(R6),平均粒径在2.2~2.9nm之间,有效调控了RuFe@SFRuM界面密度。团队结合原位气氛电子显微镜及元素分布和电子能量损失谱表征,揭示了在还原和氧化气氛下RuFe@SFRuM界面的形成和再生机制,阐明了表面Ru元素富集促进溶出高密度RuFe@SFRuM界面的内在本质。原位气氛电镜、电化学交流阻抗谱结合密度泛函理论计算证实,RuFe@SFRuM界面促进了CO2吸附活化。与SFRuM阴极相比,RuFe@SFRuM阴极在1.2V时CO2电解电流密度提高了74.6%,在1000小时CO2电解测试中表现出高的稳定性。上述研究为固体氧化物电解池高效稳定电解CO2提供了新策略。

  相关工作以“Promoting Exsolution of RuFe Alloy Nanoparticles on Sr2Fe1.4Ru0.1Mo0.5O6-δ via Repeated Redox Manipulations for CO2 Electrolysis”为题,于近日发表在《自然-通讯》 (Nature Communications)上。该工作第一作者是我所502组博士后吕厚甫和博士研究生林乐。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院青年创新促进会等项目的支持。(文/图 吕厚甫、林乐)

  文章链接:https://doi.org/10.1038/s41467-021-26001-8 

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