固体氧化物电解池直接电解CO2的研究进展

固体氧化物电解池是一种高效、环境友好型的能量转换器件,可以直接将电能转化为化学能. 本文介绍了近年来作者课题组在固体氧化物电解池直接用于CO₂还原的研究进展,并以阴极材料为主着重讨论了金属陶瓷电极和混合导电型钙钛矿氧化物电极的研究工作,最后展望了未来固体氧化物电解池直接电解CO₂的研究思路和方向.     

固体氧化物电解池

固体氧化物电解池（SOEC）是一种先进的电化学能量转化装置,可利用清洁一次能源产生的电能和热能,以H₂O和/或CO₂为原料,高效电解制备氢气或碳氢燃料,有望实现大规模能量高效转化和存储。该技术具有高效、简单、灵活、环境友好等特点,是目前国际能源领域的研究热点。本文就固体氧化电解池技术原理、关键材料、电堆技术、衰减控制和经济竞争力等方面进行分析和介绍,并对其应用前景进行展望。     

可见光驱动丰产金属卟啉类配合物催化的二氧化碳选择性还原反应

随着能源短缺和环境问题日益突出, 寻找清洁和可再生能源来替代化石燃料是本世纪科学家面临的最紧迫的任务之一. 为了实现我国“双碳”战略目标, 利用太阳能将二氧化碳(CO₂)转化为清洁燃料和化学品是实现社会可持续发展的途径之一. 催化剂是CO₂光还原技术的核心组成部分, 其可以吸附气态CO₂分子, 在可见光照射下将CO₂还原为一氧化碳(CO)、 甲酸(HCOOH)、 甲醇(CH₃OH)或甲烷(CH₄)等能源小分子. 目前, 新型CO₂还原光催化体系的开发取得了很好的进展. 本文综合评述了近年来均相及非均相丰产金属卟啉类催化剂在光催化CO₂还原中的研究进展, 并对在金属卟啉均相催化剂作用下, CO₂光还原为CO或CH₄的反应机理分别进行了介绍, 还讨论了金属卟啉基多孔有机聚合物与卟啉有机金属框架在光催化CO₂方面的重要应用. 最后, 对可见光驱动卟啉类金属配合物催化的CO₂还原的发展前景进行了展望.     

CO2电催化转化迈向大规模化的挑战与展望(英文)

全球CO₂排放量持续增长,冲击全球能源格局.CO₂电催化转化为高值化学品与液体燃料是实现绿色化工和降低碳排放的有效途径.针对催化剂和电解器的实验室研究为CO₂大规模电解奠定了基础.然而具有实用价值的全电解池CO₂电解,在工业级电流密度下的CO₂转化率、反应活性与稳定性仍较低.电极面积和数量的放大研究发现,由于电场、流场等的复杂多场耦合引起的放大效应,使得反应寿命、能耗等反应性能下降.本文综述了面向CO₂规模化电解的关键多尺度研究内容,聚焦实现CO₂高效转化的重要挑战和前沿研究进展,并展望了助力实现CO₂商业化应用的发展方向.基于聚合物电解质膜并以水作为质子源的低温CO₂电解路线是具有工业化应用前景的反应路线之一,能用于制备CO、甲酸、乙烯、乙醇等C1-C3化合物,是当前研究重点.膜电极(MEA)电解器容易在电极面积和数量上扩展,是有望实现大规模部署的CO₂电解装置.目前...     

羟基氧化铟团簇与二氧化碳和甲烷作用的密度泛函理论研究

二氧化碳(CO₂)和化石能源气体燃料甲烷(CH₄)均是化学稳定、 温室效应较大的分子, 因而对其活化、 转化和利用的研究具有显著的理论和实际意义. 本文采用密度泛函理论方法, 计算研究了羟基氧化铟团簇与CO₂, CH₄和(CO₂+CH₄)的作用. 结果表明, 氧化铟团簇通过其活性位点—In—O(桥氧)—对CO₂和CH₄分子进行[2+2]加成活化, 而羟基的引入调变了氧化铟团簇活性位点上的局部电荷, 显著降低了其与CO₂和CH₄分子作用的活化自由能垒, 使得CO₂和CH₄分子的活化变得容易进行. 活性位点—In—O(桥氧)—中的In, O上的局部电荷差值(q_In－q_O)越大, 其对CO₂和CH₄分子作用的活化自由能垒越低. 羟基氧化铟与CO₂和CH₄分子作用时, 电子由羟基氧化铟流向CO₂和CH₄分子(亲核活化); 而羟基引入前的氧化铟与CO₂和CH₄分子作用时, 电子则由CO₂和CH₄分子流向氧化铟(亲电活化).     

Pd基多相催化剂上CO2加氢反应的研究进展

随着二氧化碳(CO₂)排放量的不断增加, 全球变暖和气候变化的加剧对人类的生存环境产生了巨大的影响. CO₂作为廉价、 可再生的碳氧资源, 将其转化为高附加值化学品是绿色化学及能源领域的重要研究课题之一, 受到广泛关注. Pd基催化剂由于具有优异的加氢能力以及良好的抗烧结、 抗毒化性能, 作为CO₂催化转化最有前途的催化剂被广泛应用和研究. 本文主要对Pd基催化剂上CO₂加氢制备HCOOH, CO, CH₄和甲醇等小分子能源化合物的研究进展进行综合评述, 重点关注Pd基催化剂上CO₂分子的吸附/活化位点、 催化剂的金属-载体强相互作用及表界面组成等对催化剂活性和选择性的影响以及催化反应机理.     

氧离子传导型固体氧化物电解池燃料电极的研究进展

固体氧化物电解池可高效地电解H₂O/CO₂制备燃料,越来越受到人们的重视. 本文对近年来在燃料电极（阴极）材料方面的研究进展进行了全面综述,指出各种阴极材料的优缺点及发展趋势,强调亟待解决的关键科学与技术问题.     

铋基二氧化碳还原电催化材料研究进展

二氧化碳（CO₂）作为一种经济、安全、可再生的碳资源化合物,其高效回收利用一直是全社会关注的焦点. 利用电化学方法,将CO₂还原转化生成一系列高附加值的化学品或燃料,对于缓解能源与环境双重压力具有重要的现实意义. 本论文介绍了电化学CO₂还原反应的基本原理与过程,综述了近年来铋基催化材料的发展现状,重点对这类催化材料的制备合成、结构调控、催化反应机理研究等方面进行了总结,最后对其未来发展方向进行了探讨与展望.     

固体氧化物直接碳燃料电池阳极反应过程分析

以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为电解质组装成直接碳燃料电池(DCFC),分别以活性炭(AC)、石墨(G)、神府半焦(SC)作为DCFC燃料,研究了碳燃料的特性、电池操作温度以及阳极反应气氛等对DCFC阳极反应过程的影响。结果表明,三种碳燃料在空气、CO₂气氛中氧化反应活性顺序为AC > SC > G,当三种碳材料作为DCFC燃料时,活性炭作为燃料的DCFC性能最好,半焦燃料次之,石墨作为燃料的DCFC性能最差,而且燃料反应活性与其表面含氧官能团、孔隙结构有关;DCFC的阳极反应过程存在碳燃料直接氧化为CO₂、CO₂与C反应转化为CO,以及CO氧化为CO₂等。     

基于流动池的电化学二氧化碳还原研究进展

采用电化学方法将二氧化碳（CO₂）还原转化为基础化学品或碳基燃料是目前极具前景的碳资源利用新方式. 考虑到该技术未来的发展方向和大规模应用需求,人们亟需开发具有高转化效率和高稳定性的电解设备. 在本文中,作者详细介绍了现阶段发展的两种流动池的结构特点及性能优势,阐述了每种反应体系的内在局限性, 深入分析了整个反应体系所用组件（电解池、气体扩散电极、离子交换膜）对于性能的影响. 最后,针对目前该领域存在的挑战及未来发展趋势进行了总结与展望.     

Advances in component and operation optimization of solid oxide electrolysis cell

Considering the earth powered by intermittent renewable energy in the coming future, solid oxide electrolysis cell(SOEC) will play an indispensable role in efficient energy conversion and storage on demand.The thermolytic and kinetic merits grant SOEC a bright potential to be directly integrated with electrical grid and downstream chemical synthesis process. Meanwhile, the scientific community are still endeavoring to pursue the SOEC assembled with better materials and operated at a more energy-...     

面向氢能源、燃料电池和二氧化碳减排的制氢途径的选择

对氢气的多种制造途径加以探讨，也涉及到氢能的利用、燃料电池以及二氧化碳的减排。需要指出的是氢气并非能源，而只是能量的载体。 所以氢能的发展首先需要制造氢气。对于以化石燃料为基础的制氢过程，如煤的气化和天然气重整，需要开发更经济和环境友好的新过程，在这些新过程中要同时考虑二氧化碳的有效收集和利用问题。对于煤和生物质，在此提出了一种值得进一步深入研究的富一氧化碳气化制氢的概念。对于以氢为原料的质子交换膜燃料电池系统，必须严格控制制备的氢气中的一氧化碳和硫化氢；对于以烃类为原料的固体氧化物燃料电池，制备的合成气中的硫也需严格控制。然而，传统的脱硫方法并不适宜于这种用于燃料电池的极高深度的氢气和合成气的脱硫。氢能和燃料电池的发展是与控制二氧化碳排放紧密相关的。     

一体式可再生燃料电池

一体式可再生燃料电池是可再生燃料电池中最先进的一种，它是在同一组件上既可以实现燃料电池功能又可以实现水电解功能的储能和供电系统，具有能量密度高、使用寿命长、使用中无自放电且无放电深度及电池容量的限制等优点，是极有希望在空间、军事及可移动电源领域替代传统二次电池的储能系统。本文介绍了一体式可再生燃料电池的研究进展，并提出了目前亟待解决的问题。     

单原子催化材料在电化学氢循环应用中的研究进展

单原子催化剂(SACs)是一类仅含有孤立的单个金属原子作为催化活性中心的催化材料. 由于其具有100%的原子利用率、 独特的化学结构及优异的催化活性等优点, 近年来在电化学催化和电能转换设备领域备受关注. 本文综合评述了单原子催化材料的设计理念、 合成方法和表征方法, 同时对其在氢电化学循环 (电解水制氢和氢燃料电池领域)的实际应用进行了系统介绍, 并对单原子催化材料的研究和应用前景进行了展望.     

A microfluidic fuel cell with flow-through porous electrodes

A microfluidic fuel cell architecture incorporating flow-through porous electrodes is demonstrated. The design is based on cross-flow of aqueous vanadium redox species through the electrodes into an orthogonally arranged co-laminar exit channel, where the waste solutions provide ionic charge transfer in a membraneless configuration. This flow-through architecture enables improved utilization of the three-dimensional active area inside the porous electrodes and provides enhanced rates of convective/diffusive transport without increasing the parasitic loss required to drive the flow. Prototype fuel cells are fabricated by rapid prototyping with total material cost estimated at 2 USD/unit. Improved performance as compared to previous microfluidic fuel cells is demonstrated, including power densities at room temperature up to 131 mW cm-2. In addition, high overall energy conversion efficiency is obtained through a combination of relatively high levels of fuel utilization and cell voltage. When operated at 1 microL min-1 flow rate, the fuel cell produced 20 mW cm-2 at 0.8 V combined with an active fuel utilization of 94%. Finally, we demonstrate in situ fuel and oxidant regeneration by running the flow-through architecture fuel cell in reverse.     

Recent advances in one-dimensional nanostructures for energy electrocatalysis

Catalysts play decisive roles in determining the energy conversion efficiencies of energy devices. Up to now, various types of nanostructured materials have been studied as advanced electrocatalysts. This review highlights the application of one-dimensional (1D) metal electrocatalysts in energy conversion, focusing on two important reaction systems—direct methanol fuel cells and water splitting. In this review, we first give a broad introduction of electrochemical energy conversion. In the second section, we summarize the recent significant advances in the area of 1D metal nanostructured electrocatalysts for the electrochemical reactions involved in fuel cells and water splitting systems, including the oxygen reduction reaction, methanol oxidation reaction, hydrogen evolution reaction, and oxygen evolution reaction. Finally, based on the current studies on 1D nanostructures for energy electrocatalysis, we present a brief outlook on the research trend in 1D nanoelectrocatalysts for the two clean electrochemical energy conversion systems mentioned above.     

Some future works of research in electrochemistry

Journal of Solid State Electrochemistry - From the brief critical overview of such energy conversion processes as fuel cell (FC), electrolysis of water/hydrochloric acid and discharge/charge of...     

导电聚合物/贵金属复合材料应用于C1小分子电催化氧化

低温燃料电池作为一种新型的能源装置,具有能量转换效率高、工作温度低、无污染、液体燃料处理简单、启动迅速等诸多优点,已成为世界各国竞相研究的热点。有机小分子的高效电催化氧化直接关系到低温燃料电池的发展和应用。低温燃料电池的电极材料主要是碳/贵金属复合材料,碳载体易导致贵金属粒子团聚、且易发生电氧化腐蚀等缺点降低了贵金属的利用率和电池的使用寿命。导电聚合物具有高的抗腐蚀性、高的表面积、低电阻和高稳定性得到很大关注。本文综述了近年来国内外导电聚合物/金属复合电极材料在燃料电池中的研究进展。     

Achieving High Efficiency and Eliminating Degradation in Solid Oxide Electrochemical Cells Using High Oxygen‐Capacity Perovskite

Recently, there have been efforts to use clean and renewable energy because of finite fossil fuels and environmental problems. Owing to the site‐specific and weather‐dependent characteristics of the renewable energy supply, solid oxide electrolysis cells (SOECs) have received considerable attention to store energy as hydrogen. Conventional SOECs use Ni‐YSZ (yttria‐stabilized zirconia) and LSM (strontium‐doped lanthanum manganites)‐YSZ as electrodes. These electrodes, however, suffer from redox‐instability and coarsening of the Ni electrode along with delamination of the LSM electrode during steam electrolysis. In this study, we successfully design and fabricate highly efficient SOECs using layered perovskites, PrBaMn₂O_5+δ (PBM) and PrBa_0.5Sr_0.5Co_1.5Fe_0.5O_5+δ (PBSCF50), as both electrodes for the first time. The SOEC with layered perovskites as both‐side electrodes shows outstanding performance, reversible cycling, and remarkable stability over 600 hours.