氧分压对固体氧化物电解池性能的影响

High-temperature (700–900 ℃) steam electrolysis based on solid oxide electrolysis cells (SOECs) is valuable as an efficient and clean path for large-scale hydrogen production with nearly zero carbon emissions, compared with the traditional paths of steam methane reforming or coal gasification. The operation parameters, in particular the feeding gas composition and pressure, significantly affect the performance of the electrolysis cell. In this study, a computational fluid dynamics model of an SOEC is built to predict the electrochemical performance of the cell with different sweep gases on the oxygen electrode. Sweep gases with different oxygen partial pressures between 1.01 × 10³ and 1.0 × 10⁵ Pa are fed to the oxygen electrode of the cell, and the influence of the oxygen partial pressure on the chemical equilibrium and kinetic reactions of the SOECs is analyzed. It is shown that the rate of increase of the reversible potential is inversely proportional to the oxygen partial pressure. Regarding the overpotentials caused by the ohmic, activation, and concentration polarization, the results vary with the reversible potential. The Ohmic overpotential is constant under different operating conditions. The activation and concentration overpotentials at the hydrogen electrode are also steady over the entire oxygen partial pressure range. The oxygen partial pressure has the largest effect on the activation and concentration overpotentials on the oxygen electrode side, both of which decrease sharply with increasing oxygen partial pressure. Owing to the combined effects of the reversible potential and polarization overpotentials, the total electrolysis voltage is nonlinear. At low current density, the electrolysis cell shows better performance at low oxygen partial pressure, whereas the performance improves with increasing oxygen partial pressure at high current density. Thus, at low current density, the best sweep gas should be an oxygen-deficient gas such as nitrogen, CO₂, or steam. Steam is the most promising because it is easy to separate the steam from the by-product oxygen in the tail gas, provided that the oxygen electrode is humidity-tolerant. However, at high current density, it is best to use pure oxygen as the sweep gas to reduce the electric energy consumption in the steam electrolysis process. The effects of the oxygen partial pressure on the power density and coefficient of performance of the SOEC are also discussed. At low current density, the electrical power demand is constant, and the efficiency decreases with growing oxygen partial pressure, whereas at high current density, the electrical power demand drops, and the efficiency increases.     

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.     

NiY分子筛的合成及在微生物电解池阴极的析氢性能研究

在Na₂O-Al₂O₃-SiO₂-H₂O体系中添加硝酸镍,采用导向剂法合成了NiY分子筛。利用XRD、SEM、TEM、N₂吸附-脱附等手段对合成的NiY分子筛进行了表征。结果表明,随着镍添加量的增加,结晶度和zeta电位呈先增大后减小的趋势。当Si/Ni （mol ratio）大于5时,硝酸镍对分子筛的形成具有促进作用,当Si/Ni （mol ratio）小于5时,则具有抑制作用。晶粒粒径为1.5-3 μm,形貌为凹槽结构的六方或四方柱型,且具有微孔-介孔多级孔道结构特征。通过循环伏安曲线和极化曲线测试,在Si/Ni （mol ratio）=5时,样品的氧化还原性能最强,过电势最小,电催化活性最高。在12 h内,每4 mg的Si/Ni （mol ratio）=5样品,产气总量为10.1 mL,氢气纯度达81.69%,与Pt电极相比其氢气产量提高了28%。NiY分子筛表现出良好的析氢催化活性,有望取代Pt成为MEC新型阴极材料。     

Gd0.2Ce0.8O1.9纳米颗粒对固体氧化物电解池La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ阳极 析氧反应的影响

化石燃料的使用排放了大量CO2,对气候和环境造成了日益严重的危害.固体氧化物电解池(SOEC)能够利用可再生能源产生的电能将CO2高效转化成CO,降低CO2排放的同时,又能减少化石燃料的使用,近年来受到研究者的广泛关注.相比于低温液相CO2电还原,SOEC高的运行温度保证了其较高的反应速率,即较高的电流密度.典型的SOEC单电池由多孔阴极、致密电解质和多孔阳极以三明治的方式组装而成.CO2分子在阴极得到两个电子解离成CO和一个O2–;生成的O2–通过致密电解质传导至阳极,在阳极失去四个电子发生析氧反应(OER)生成一个O2.相比于两电子的阴极反应,阳极四电子的析氧反应更难进行,可能是整个电极过程的速控步,因此开发高性能的阳极材料有望显著提高SOEC的CO2电还原性能.La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)因具有较高的混合离子-电子导电性而被用作SOEC阳极材料,但受LSCF-气体两相界面的限制,其OER性能较低.研究表明,LSCF-掺杂的CeO2-气体所构成的三相界面相比于LSCF-气体两相界面具有更高的电化学反应活性,即OER反应更易在三相界面进行.因此,本文将Gd0.2Ce0.8O1.9(GDC)纳米颗粒浸渍到SOEC LSCF阳极来提高其OER活性,考察了纳米颗粒浸渍量(3,5,10和20 wt%)对SOEC电化学性能的影响.结果表明,SOEC的电化学性能随浸渍量的增加而逐渐升高,当GDC纳米颗粒浸渍量为10 wt%时(10GDC/LSCF),SOEC的电化学性能达到最高,在800 oC和1.6 V的电流密度为0.555 A cm–2,是LSCF阳极SOEC性能的1.32倍.继续增加浸渍量到20 wt%,电化学性能反而开始下降.电化学阻抗谱测试结果表明,GDC纳米颗粒的加入减小了SOEC的极化电阻.对应的弛豫时间分布函数解析结果表明10GDC/LSCF阳极上的OER由四个基元反应构成.电镜和O2-程序升温脱附结果表明,GDC纳米颗粒的加入显著增加了10GDC/LSCF阳极三相界面和表面氧空位的数量以及体相氧的流动性,从而促进了OER四个基元反应的反应速率,降低了这几个过程的极化电阻,因而降低了OER反应的极化电阻,提高了SOEC电还原CO2的电化学性能.     

交流示波极谱法中if～E曲线的研究(Ⅰ)——求取if～E曲线的仪器装置

本文报道求取i_f～E曲线的一种双电解池差分装置。通过扣除交流示波极谱法总电流中双电层充电电流i_c,测量法拉第电流对工作电极电位的曲线(即i_t～E曲线),可提高灵敏度。     

适用于改换介质的简易电解池设计及其电位溶出分析的应用研究

设计制作了用于改换介质的简易电解池,并以旋转圆盘玻碳电极为工作电极,研究了其用于电位溶出分析改换溶出介质的可行性。以同时测定Ｐｂ＾２＋、Ｃｄ＾２＋为例,试验了改换溶出介质的条件。结果表明,改换介质可消除共存离子的干扰,只要选择合适的溶出介质,可有效地提高测定方法的分辨率和灵敏度。此方法用于矿样中铅和镉的同时测定,结果满意。     

反射式薄层可见光谱电解池的制作与性能测试

设计制作了一种反射式薄层可见光谱电解池。该电解池采用光亮铂片作为工作电极,将铂丝辅助电极和Ag AgCl参比电极组装在一起。薄层池中间的溶液薄层是通过光亮铂片和覆盖其上的玻璃片之间的塑料薄膜垫圈加以控制,当液层厚度为0.2mm时,液层容积为16μL。由于采用双平行反射的光路,使入射光与出射光保持在一直线上,可以在不变更光路系统下的各种光度计上使用。在K3Fe(CN)6 K4Fe(CN)6体系中,用循环伏安法、恒电位现场光度法进行性能测试。实验结果表明,该电池具有良好的薄层光谱电化学性能,可用于薄层可见光谱电化学研究。     

以核心概念为本的“电解池”教学设计

通过梳理教材中电化学基础的知识结构及核心概念,并结合学生实际进行教学目标、教学方式、师生活动和问题情境等方面的教学设计。以人教版《化学反应原理》第四章第三节“电解池”第一课时的教学设计为例,说明以核心概念为本的教学设计可以促进学生对化学概念的理解,增强学生分析问题、解决问题的能力。     

锰掺杂的钙钛矿型钛铌酸盐基复合阴极高温电解水蒸气

通过在氧化还原稳定的钙钛矿材料钛铌酸盐的B位晶格中掺杂具有氧化还原活性的锰元素提高固体氧化物电解池复合电极电催化性能．研究发现,锰元素成功取代钛铌酸盐B位的Ti／Nb．掺杂后的样品的离子电导率在800℃下的氧化气氛和还原气氛下的离子电导率分别提高了约1和0．5个数量级．基于掺杂后的钛铌酸盐基复合阴极,氧离子传导型固体氧化物电解池电解水蒸汽的电流效率在有和无还原气体保护下分别提高了25％和30％．