于波、喬錦麗和張久俊Chem.Soc.Rev.綜述：利用固體氧化物電解池進行高溫共電解CO2/H2O制備可持續燃料——先進材料與技術

期刊封面

【引語】

化石能源的持續大量消耗造成了大氣中CO₂濃度的不斷增長，利用太陽能、風能等潔凈/可再生能源的CO₂還原/轉化技術是解決上述問題的重要策略。其中以固體氧化物電解池為基礎的CO₂/H₂O高溫共電解技術由于其環境友好、能源轉換效率高、能源接入靈活、適應性強和有成本競爭力等優勢逐漸受到人們的極大關注。近日，清華大學的于波副教授、東華大學的喬錦麗教授和上海大學的張久俊院士（共同通訊作者）受邀在國際期刊Chemical Society Reviews上在線發表了題為“A review of high temperature co-electrolysis of H₂O and CO₂ to produce sustainable fuels using solid oxide electrolysis cells (SOECs): advanced materials and technology”的綜述文章(Back cover)。該文章系統介紹了高溫共電解技術（high-temperature CO₂/H₂O co-electrolysis cells，HTCE）的基本情況，包括基本熱力學、動力學，關鍵電極材料，測試表征和模擬方法，電池、電堆的設計制備與擴大化，衰減問題等方面的研究進展。總結并提出了SOEC技術方面面臨的主要挑戰和未來的主要發展方向。

綜述導覽圖

一、概況

目前減少CO₂排放的主要方法包括提高能源生產率與使用率、燃料形式轉換、CO₂捕獲與封存、CO₂轉化與利用等方法，其中采用技術手段通過“排放碳（exhaust carbon）”向“工作碳（working carbon）”的轉化途徑極具吸引力和發展前景。圖1顯示了CO₂的轉化方向與特點，以及四種主要的轉化途徑。電化學催化有控制精準、系統集約高效、可拓展性好、能源接入靈活等特點而具備較好的能源轉換效率與成本優勢。其中，以固體氧化物電解池為基礎的CO₂/H₂O共電解技術在近年來逐漸受到人們的極大關注。作者從發展歷史、技術特點和經濟可行性等方面進行總結并提出高溫共電解技術的重要性。該綜述目的在于總結近年來高溫共電解技術的最新進展以及所面臨的挑戰，并結合近年來在該方面的研究心得提出一些相應的解決策略。

圖1?CO₂的利用與轉化

二、CO₂/H₂O高溫共電解的基本介紹

CO₂/H₂O高溫共電解技術（HTCE）可以利用核能和可持續能源所產生的電能將水和二氧化碳同時轉化為合成氣與氧氣，其核心部件——固體氧化物電解池（SOEC），主要由燃料電極（陰極）、電解質和氧電極（陽極）三部分構成（圖2）。該部分主要介紹高溫共電解技術的基本熱力學與動力學原理、與單獨電解CO₂或H₂O的對比，以及固體氧化物電解池的基本構成與關鍵材料選擇。幫助讀者初步了解高溫共電解技術及其核心部件的基本情況。

圖2?CO₂/H₂O高溫共電解技術利用潔凈/可持續能源制備燃料

三、固體氧化物電解池的關鍵材料

電極材料的選擇與結構調控是影響SOEC電解性能的重要因素。一般電極材料需要具備較好的離子電導（IC），電子電導（EC）和催化活性，例如金屬、螢石、鈣鈦礦、雙鈣鈦礦和Ruddlesden–Popper（R-P）結構氧化物等材料可以滿足其中的一種或/和多種功能。其中燃料電極主要為CO₂和H₂O的分解提供活性位點，除了傳統的優勢材料Ni–YSZ之外，Ni-SDC (Ni-Sm_0.2Ce_0.8O_2-δ), SFM (Sr_0.5Fe_1.5Mo_0.5O_6-δ), LSV (La_0.6Sr_0.4VO_3-δ), LSCM ((La_0.75Sr_0.25)_0.95 Cr_0.5Mn_0.5O₃), STNO (Sr_0.94Ti_0.9Nb_0.1O₃), STNNO ((Sr_0.94)_0.9 (Ti_0.9Nb_0.1)O₃)等材料也表現出較好的電化學特性與穩定性。在氧電極方面，鈣鈦礦、雙鈣鈦礦和Ruddlesden-Popper（R-P）結構氧化物等材料（圖3）受到人們的廣泛關注和研究，綜述中詳細總結了各類氧電極材料在高溫電解/共電解過程中性能表現，并提出了目前研究存在的主要問題和對應改善方向。

圖3?鈣鈦礦、雙鈣鈦礦和Ruddlesden–Popper（R-P）結構氧化物

四、固體氧化物電解池的相關測試、表征與模擬

相關測試、表征與模擬手段是研究高溫共電解中固體氧化物電解池的重要手段。本部分以SOEC為研究對象，系統介紹了包括電化學性能測試、微觀結構表征、表面分析、模擬計算和產品分析等技術和方法。除了常規的SEM、AEM、TEM、STEM、XPS、DFT等方法之外，還重點介紹了STM/STS、FIB-SEM、SIMS等先進手段在SOEC方面的創新應用。

圖4?利用FIB-SEM和3D重建測試模擬Ni-YSZ復合電極中的三相界面

五、SOEC電池和電堆的設計、制備與擴大化

除了基本的電極材料之外，本部分詳細介紹了SOEC電池和電堆的基本組成和主要種類，其中圖5介紹了包括平板式、管式和扁管式在內的三種主要電池構型，并顯示了從宏觀電堆到微觀材料的基本結構。在了解單電池基本構型的基礎上，文章介紹了不同構型小型電堆（電池片≤10）的基本結構和性能特點（圖6）；此外，隨著裝置的進一步擴大化，文章還進一步展示了千瓦級電堆的基本結構和運行系統（圖7）。為SOEC高溫電解/共電解的規模化應用提供了很好的技術支持。

圖5?三種主要的SOEC構型以及從材料到單電池和電堆的基本結構

圖6?不同構型SOEC小型電堆的基本結構

圖7?千瓦級SOEC電堆的基本結構和系統

六、固體氧化物電解池的衰減問題

材料的衰減問題是影響SOEC運行性能的重要影響因素，文章以氧電極分層與Cr中毒、燃料電極氧化還原穩定性與SiO₂中毒為主介紹了近年來在材料衰減方面的主要問題和研究進展，探究和分析了不同的衰減機理及應對策略。

圖8?氧電極中Cr中毒的基本過程

七、總結、挑戰與展望

利用潔凈/可再生能源進行CO₂還原/轉化技術是解決環境與能源問題的重要策略之一。過去的幾年，我們見證了相關技術的飛速發展。其中以固體氧化物電解池為基礎的CO₂/H₂O高溫共電解技術受到了人們的極大關注。在這篇文章中，從基本原理到關鍵材料及測試表征手段，再到電池和電堆的設計、制備與擴大化，以及運行過程中存在的主要問題進行了詳細的介紹與討論。另外，對于該領域目前存在的主要挑戰，例如共電解過程中CO₂轉化機理的深入研究、SOEC活性與穩定性之間平衡與提高，以及系統成本的降低與進一步商業化等，作者還進一步提出了具體的應對策略：（1）共電解過程中化學反應機理的深入研究；（2）電解/共電解過程中衰減機理與材料行為的深入探究；（3）更廣泛地研究、發展SOEC相關先進材料；（4）將SOEC與可再生能源相結合以提高其經濟與技術在實際應用中的可行性。

文獻鏈接：A review of high temperature co-electrolysis of H₂O and CO₂ to produce sustainable fuels usingsolid oxide electrolysis cells (SOECs): advancedmaterials and technology?(Chemical Society Reviews,2017, 46, 1427-1463, DOI: 10.1039/c6cs00403b).

本文第一作者為清華大學的博士研究生鄭云，材料牛編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部，參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流群 422065952”

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料測試，數據分析，上測試谷！