高温固体氧化物电解制氢技术发展现状与展望

固体氧化物电解池是一种先进的能量转换装置,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. 本文对高温固体氧化物电解制氢技术的基本原理、关键材料、系统组成、发展历程及国内外研究现状等进行了总结和分析,小结了该技术发展面临的主要挑战,简述了清华大学在高温固体氧化物电解领域近期的研究进展,并对其未来应用前景进行了展望.     

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。     

阴极支撑Ni-YSZ/YSZ/LSM-YSZ固体氧化物电解池制氢性能研究

利用固体氧化物电解池(Solid oxide electrolysis cell,SOEC)在高温下电解水蒸气制氢,被认为是未来的大规模制氢方法之一.本文采用干压法和丝网印刷法制备了SOEC,考察了氢电极气氛和工作温度对SOEC电解性能的影响,测试了SOEC的稳定性.实验结果表明:氢电极进气中适宜的水蒸气含量为70%～80%;电解池在800,850和900℃,1.50 V的产氢速率分别为89,163和243 N·ml·cm-2·h-1;在900℃以0.33 A·cm-2恒流电解2 h,电解电压的稳定值为0.98 V,并且电解池运行稳定,无明显衰减.阻抗谱解析表明,电极过程是整个电解池电极反应的速度控制步骤.     

镍高度分散在铁基钙钛矿用于高温固体氧化物电解池阴极的CO2电催化还原研究(英文)

利用太阳能、风能等可再生清洁电能将CO₂催化转化为高附加值化学品或燃料,在CO₂转化和可再生电能存储方面表现出极具潜力的应用前景.高温固体氧化物电解池(SOEC)可将CO₂电催化还原为CO,具有能量效率高、成本低等优点.目前,钙钛矿氧化物已被广泛应用于SOEC电解CO₂的阴极材料,但存在电极催化活性低等问题,因而限制其规模化发展和应用.通常采用浸渍、原位溶出或掺杂等策略引入大量活性中心以提升钙钛矿氧化物电极性能.然而,这些策略仍然面临一些挑战,如浸渍法易引入大颗粒物种而堵塞气体传输通道,原位溶出法能耗较大且析出量较少,掺杂法调控活性幅度有限.因此,发展新型简便方法以合理构建具有高度分散活性位点的阴极材料,可有效拓展电化学三相反应界面,进而加快SOEC高温电解CO₂的电极动力学速率.本文采用机械研磨法将1.0%NiO高度分散于La_0.8Sr_0.2Fe0_3-δ-Ce_0.8Sm_0.2     

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.     

硬脂酸法制备SO42-/Fe2O3-SiO2固体酸及其催化性能的初步探讨

首次用硬脂酸法制备了Fe2O3-SiO2混合氧化物,经浸渍H2SO4后再焙烧得SO2-4/Fe2O3-SiO2固体酸催化剂.用TEM,XRD,N2吸附/脱附和TG-DTA等手段对其进行了表征,结果显示制得的Fe2O3-SiO2混合氧化物具有多孔结构.且随着Si含量的增大,其比表面积明显增大,但孔径减小.用乙酸/丁醇酯化催化反应评估了该固体酸的催化性能.     

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.     

单室固体氧化物燃料电池阴极材料La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3的电化学性能研究

采用高温固相法制备了La0.75Sr0.25Cr0.5Mn0.5O3(LSCM)并利用XRD,SEM以及电化学阻抗谱(EIS)分别对粉体及电极进行研究。结果发现LSCM在C3H8-O2-N2混合气氛下能够保持很好的高温化学稳定性,且与电解质材料YSZ在1400℃空气气氛下不发生化学反应。电化学测试结果表明,阳极支撑型单室固体氧化物燃料电池Ni-YSZ|YSZ|LSCM在700℃、C3H8-O2-N2混合气氛下的短路电流密度达317 mA·cm-2,最大功率密度73 mW·cm-2。将LSCM与CGO形成梯度阴极,相同测试条件下,单室电池的短路电流密度为560 mA·cm-2,功率密度达到110 mW·cm-2,电池输出性能提高约50%。     

单体固体氧化物电解池极化损失分析及阴极微结构优化

基于高温固体氧化物电解池(SOEC)的高温蒸汽电解(HTSE)制氢技术作为一种非常有前景的大规模核能制氢新方法, 受到国际上的迅速关注. 但如何控制电解模式下的极化能量损失和性能衰减是HTSE实用化的关键. 本文通过在线电化学阻抗测试技术, 研究了实际运行状态下的单体固体氧化物池(SOC)在电池模式和电解模式下的极化阻抗分布, 阐述了SOEC与高温固体氧化物燃料电池(SOFC)的差异, 确定了SOEC氢电极支撑层水蒸气扩散过程极化损失大是制约电解池制氢性能提高的主要因素. 在此基础上, 采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)造孔剂对氢电极支撑层的微观结构进行了调整和优化. 微结构优化后, 氢电极材料的孔隙率提高了50%, 孔隙为规则圆形, 分布均匀, 更利于气体扩散; 电解电压1.3 V时, 单位面积产氢率高达328.1 mL·cm^-2·h^-1(标准态), 为改进前电解池的2倍, 实现50 h以上连续稳定性运行. 研究成果可为HTSE的实际应用提供一定的理论数据和技术基础.     

四元体系Na+,K+∥CO32-,B4O72--H2O 298K相平衡研究

采用等温溶解平衡法研究了四元体系Na^ ,D^ //CO3^2-,B4O7^2--H2O 298K时的相关系,该四元体系298K时的溶解度等温图含有5个相区：Na2B4O7.10H2O,K2B4O7.4H2O,Na2CO3.10H2O,K2CO3.3/2H2O和复盐Na2CO3.K2CO3.H2O,7条单变量曲线和3个共饱点,其中NaCO3.K2CO3.H2O K2CO3.3/2H2O K2B4O7.4H2O为相称共饱点,体系中发现了一种新的复盐：Na2CO3.K2CO3.H2O,这种复盐同时存在于含Na^ ,K^ //CO3^2-H2O三元体系的其它四元或高元体系中。     

273 K下Na2CO3-Na2SO4-Na2B4O7-H2O四元体系介稳相平衡的实验研究

采用等温蒸发法研究了四元体系Na2CO3-Na2SO4-Na2B4O7-H2O在273 K时的介稳相平衡及平衡液相的密度. 利用溶解度数据绘制了该四元体系273 K下的相图. 研究结果表明, 该四元体系有异成分复盐2Na2SO4·Na2CO3形成. 相图中有2个共饱点、5条单变量曲线和4个结晶相区. 4个结晶相区分别为盐Na2CO3·10H2O, Na2SO4·10H2O, Na2B4O7·10H2O和2Na2SO4·Na2CO3的结晶区. 复盐2Na2SO4·Na2CO3同时存在于包含Na2CO3-Na2SO4-H2O三元体系的其它四元体系或高元体系中. 在273 K介稳平衡相图中, 碳酸钠以Na2CO3·10H2O形式析出; 硫酸钠以Na2SO4·10H2O的形式析出; 硼酸钠的完整分子式为Na2B4O5(OH)4·8H2O. Na2CO3对Na2B4O7有盐析作用.     

氧分压对固体氧化物电解池性能的影响（英文）

基于固体氧化物电解池的高温电解水蒸气是一种可以在低碳排放条件下实现大规模氢气制备的技术。固体氧化物电解池的工作条件,尤其是所通入的气体组成和压力对其性能有很大的影响。本文基于计算流体力学软件建立了电解池理论模型来研究固体氧化物电解池的氧电极上通入不同氧分压的吹扫气对电解池反应特性的影响,文中所研究的氧分压范围为1.01×10~3–1.0×10~5 Pa。结果表明,可逆的开路电压随着氧分压的提高而增大,然而由活化极化、欧姆极化和浓差极化共同作用导致的极化电压随着氧分压增大而降低。在低电流密度时氧分压越小固体氧化物电解池性能越好,而在高电流密度时氧分压越大固体氧化物电解池性能越好。因此在低电流密度时采用低氧分压吹扫气有利于降低电解过程的耗电量,在高电流密度时采用氧气作为吹扫气有利于减少电解水的电能消耗并能够得到纯氧作为副产物以提高经济价值。     

CuO/Mn2O3 /γ-Al2O3催化剂的制备、表征及其在CO氧化反应中的性能研究

采用浸渍法在γ-Al2O3载体上分步负载改性剂Mn2O3和活性组分CuO,制备了一系列不同配比的CuO/Mn2O3/γ-Al2O3催化剂,并运用CO+O2模型反应、XRF、XRD、H2-TPR、in-situ FTIR等手段表征了催化剂的活性和物理化学性质。活性测试结果表明,锰氧化物对γ-Al2O3载体的改性能有效地提高CuO/γ-Al2O3催化剂在CO+O2模型反应中的催化活性。XRD结果表明,锰氧化物对γ-Al2O3载体的改性可以促进氧化铜在载体表面的分散,从而提高了分散态氧化铜的含量,不过这与活性变化的趋势并不完全一致。进一步结合H2-TPR、in-situ FTIR表征结果 ,我们发现,分散态铜、锰氧化物的还原性质也是影响其催化活性的重要因素,催化剂中分散态铜、锰物种越容易被还原,其对CO+O2模型反应的催化活性就越高。     

BaTiO3-BaAl2O4-Al2O3复合载体的制备、表征及其Ni基催化剂催化CH4/CO2重整反应性能

以十六烷基三甲基溴化胺为结构导向剂,采用溶胶-凝胶法制备了BaTiO3-BaAl2O4-Al2O3复合载体,采用X射线衍射、红外光谱、N2吸附-脱附、透射电子显微镜和H2程序升温还原等技术对复合载体进行了表征,并以CH4/CO2重整制合成气为探针反应,考察了不同Ni/BaTiO3-BaAl2O4-Al2O3催化剂的性能.结果表明,BaTiO3-BaAl2O4-Al2O3复合载体具有多孔织构特性和较高的比表面积,BaTiO3和BaAl2O4以晶粒状态分布在复合载体的内外表面,晶粒尺寸在20～50nm的范围,复合载体孔径为10～20nm.复合载体上BaTiO3和BaAl2O4的引入,适度削弱了Ni/BaTiO3-BaAl2O4-Al2O3催化剂中Ni物种与γ-Al2O3间的强相互作用,抑止了NiAl2O4尖晶石的生成;当载体中Ba(Ti)含量为17.33%时,其负载的Ni催化剂上CH4/CO2重整制合成气反应的活性和稳定性最高.     

固态氧化物电解池中碳-分子电化学转化为可再生燃料

近年来,随着社会环保意识的迅速提高以及对可再生能源利用能力的大幅增强,以燃料电池和电解池为代表的电化学技术已经逐渐在能源的存储、转化和利用方面发挥着不可或缺的独特作用.其中,固态氧化物电解池经过多年的发展,在装置成本和工作效率上取得了长足的进步,在储能转化方面具有重要的潜力.与此同时,伴随着《巴黎协定》签订以来各国的“碳中和”路线图逐渐出台,利用相对廉价易得的可再生电能,将二氧化碳(CO₂)和甲烷(CH₄)等碳-(C1)分子电解转化为高附加值的可再生燃料(如水煤气、乙烯等),对于碳中和目标的实现具有重要的意义.因此,C1分子电化学转化的研究成为了当下重点关注的研究领域,许多重要的研究成果和技术进步在过去几年中不断涌现.固态氧化物电解池作为一种代表性的C1分子电解和转化平台,也日渐引起相关领域研究人员的关注和兴趣.与传统的C1分子催化转化方法相比,基于固态氧化物电解池的电解转化技术具有两个重要优点:高能量转换效率与体系抗中毒能力.这两个特性作为体系稳健性的基石,保障了C1分子转化为可再生燃料的反应过程的长期可持续性.本文首先简要回顾了固态氧化物电解池的前沿技术与发展,并从电解池系统分类、反应体系的特征和反应体系发展的前景与挑战这三个方面,简要介绍了近年来基于固态氧化物电解池体系的C1分子电化学转化的代表性工作.CO₂与CH₄作为廉价易得的C1分子的代表,其转化因其反应分子惰性及反应过程不可控性而广受研究者关注,本文重点关注了在固态氧化物电解池中CO₂,CO₂/H₂O和CH₄三个体系的电化学反应过程和近期研究进展,希望可为相关研究人员未来设计更合适的催化剂和构建更优的电解池结构提供有益的参考.本文还针对目前固态氧化物电解池体系在C1分子转化领域所面临的挑战,提出了未来的一些可能的研究方向,以期助力研究者在不远的将来实现C1分子电解生产可再生燃料的实用化.     

克服高温二氧化碳电解产生的碳沉积问题（英文）

固体氧化物电解池(SOEC)中的高温二氧化碳电还原(HT-CO₂RR)具有对产物CO选择性近乎100%、能量效率高且产率可达到工业标准等特点.该技术能够将可再生能源、二氧化碳和水转化成高能量化合物,是实现碳中和的有效途径,具有较强的应用前景.但这种二氧化碳利用方法容易受电解过程中的积碳影响,严重损害电解池的能量效率和运行寿命.近年来,研究者们努力分析积碳问题,并通过改变反应条件来抑制积碳生成,或尝试设计无积碳产生的电极材料.然而,这些抑制积碳的策略同时牺牲了催化活性和能量效率.因此,未来研究需要兼顾催化电极的性能、电解池的能量效率和稳定性.本文概述了关于减少HT-CO₂RR中积碳的研究进展,讨论可能加速其大规模实际应用的未来研究方向,并阐述了SOEC的HT-CO₂RR中积碳的形成机制.HT-CO₂RR中积碳的形成是由于CO发生了歧化反应:2CO(g)■C+CO₂(g),也被称为Boudouard反应.该反应涉及两个基本步骤:(1)表面CO^*解离为C     

Ni/Al2O3催化剂上甲烷三重整制合成气

制备了负载于大孔容、高比表面的γ-Al2O3载体上的Ni基催化剂.采用固定床流动反应装置,考察了催化剂焙烧温度、反应条件(反应温度、压力、空速以及反应原料气组成)对甲烷三重整反应(TRM)制合成气的催化性能的影响.结果表明,650℃焙烧的催化剂具有较好的稳定性.在常压、850℃、10080h-1、n(CH4)/n(CO2)/n(H2O)/n(O2)=1/0.48/0.54/0.1的条件下,CH4转化率达到95.4%,CO2转化率达到84.6%,在此条件下连续运行9h未见活性下降.TRM反应适宜于在高温、低压下进行,原料组成的变化不会影响CH4转化率,但会影响CO2转化率和产物合成气的n(H2)/n(CO)比.     

CeO2(110)还原表面上受阻路易斯酸碱对在合成气直接转化中的作用(英文)

随着石油资源的日益枯竭,寻找非石油路线生产低碳烯烃的新途径显得十分重要.将天然气、煤以及生物质等经合成气(H₂和CO)转化为低碳烯烃是一条具有前景的路线.近年来,双功能氧化物-分子筛(OX-ZEO)催化剂催化合成气直接制备低碳烯烃引起了国内外的广泛关注.由于CO活化并生成中间物种与C-C偶联分别在氧化物和分子筛上发生, OX-ZEO过程突破了费托合成中ASF产物分布的限制,低碳烯烃选择性显著提高.虽然实验方面已经取得了大量进展,但是OX-ZEO过程仍然存在一些关键问题,特别是金属氧化物中氧空位的作用,以及关键中间体是乙烯酮或甲醇的反应机理仍然不清楚.因此,本文通过密度泛函理论(DFT)计算来解决上述两个问题,对典型的可还原金属氧化物CeO₂表面上的合成气直接转化进行了理论研究.计算结果表明, CeO₂(110)表面上的氧空位通过形成受阻路易斯酸碱对(FLP),在活化H₂和CO中起着关键作用.H₂在FLPs上经过异裂分解,形成与O原子结合的质子以及与Ce原子结合的氢负离子,其反应...     

Cu(Ⅰ)/SO42-/ZnO和Cu(Ⅰ)/S2O82-/ZnO催化剂的制备与表征

采用浸渍法对无定形ZnO分别用稀H2SO4和(NH4)2S2O8溶液处理, 制备了SO42-/ZnO和S2O82-/ZnO固体酸. 通过固体离子交换法制备了Cu(Ⅰ)/SO42-/ZnO和Cu(Ⅰ)/S2O82-/ZnO两种催化剂, 并采用XRD, FTIR, TPD和TPR等进行了表征. 研究结果表明, 用稀H2SO4和(NH4)2S2O8溶液分别浸渍处理无定形ZnO, 经过500-600 ℃高温焙烧后得到的SO42-/ZnO和S2O82-/ZnO固体酸表面形成了Zn3O(SO4)2物种; py-FTIR结果表明, 两者均具有B酸中心和L酸中心, 进一步的NH3-TPD研究结果证明, 制备的固体酸NH3脱附峰均出现在543 ℃附近, 属于高强度固体酸. 结构分析认为, 由于SO42-强烈的电子诱导作用, SO42-和ZnO形成的桥式配位物种产生了B酸中心和L酸中心, 而其螯合配位形成的物种没有酸性. SO42-/ZnO和S2O82-/ZnO固体酸与CuCl进行离子交换所制备的Cu(Ⅰ)/SO42-/ZnO和Cu(Ⅰ)/S2O82-/ZnO催化剂的Cu(Ⅰ)易于还原, 对甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯(DMC)表现出较高的活性和选择性, DMC选择性为98.3%, 时空收率可达到1.9 g(g·h).     

Rh/SiO_2催化剂上甲烷部分氧化制合成气的反应机理

采用原位Raman光谱技术,在原料气中的O2未完全耗尽的条件下,对CH4部分氧化制合成气反应的Rh/SiO2催化剂床层前部贵金属物种的化学态以及由CH4解离所生成的碳物种进行了表征.在此基础上采用脉冲反应和同位素示踪技术,比较了CH4的部分氧化及其与H2O和CO2的重整等反应对催化剂床层氧化区内CO和H2生成的相对贡献,并将实验结果与Ra-man光谱表征结果进行了关联.结果表明,在600°C下将还原后的4%Rh/SiO2催化剂切入CH4:O2:Ar=2:1:45原料气,催化剂床层前部未检测到铑氧化物的Raman谱峰,但可清晰检测到源于CH4解离的碳物种;在700°C和接触时间小于1ms的条件下,催化剂床层的氧化区内已有大量CO和H2生成,在相同的实验条件下,CH4与H2O或CO2重整反应对氧化区内合成气生成的贡献则很小;以CH4:16O2:H218O:He=2:1:2:95为原料气的同位素示踪实验结果表明,在原料气中16O2未完全耗尽的情况下,反应产物中C16O的含量占CO生成总量的92.3%,表明CO主要来自CH4的部分氧化反应.上述结果均表明,在O2存在下Rh/SiO2催化剂上CO和H2可以通过CH4直接解离和部分氧化机理生成.