大连化物所揭示固体氧化物电解器阴极动态重构和CO2电解反应机制

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。