清華大學于波課題組Adv. Energy Mater.：新型納微通道結構固體氧化物電解池實現5 A cm-2以上超高電流密度電解制氫

【導讀】

固體氧化物電解池（SOEC）是一種極具應用前景的能源轉化裝置。其中，高溫電解水制氫是SOEC的一個重要應用場景。SOEC電解電流密度與制氫能力直接相關，提高電流密度有助于提升裝置產能，可有效降低電解裝置固定投資成本，對推進SOEC技術的工業化進程具有重要意義。然而，現有的SOEC多孔陽極存在著孔隙率低、孔道不規則等結構缺陷，當運行電流密度超過2 A/cm²時，電解池內部物質傳輸和電荷傳輸量激增，由此會帶來局部高壓、高應力、局部過熱等破壞效應，并誘發陽極-電解質界面發生脫層，使電解池整體性能迅速衰減。通過對電極結構進行調控和優化，實現高溫水蒸氣在大電流密度下的高效電解轉化，是目前國際研究的熱點和難點。

【成果掠影】

近日，清華大學于波課題組在國際能源期刊Advanced Energy Materials上發表了題為“A Novel Solid Oxide Electrolysis Cell with Micro-/nano Channel Anode for Electrolysis at Ultra-high Current Density over 5 A cm^-2”的研究論文。研究人員成功制備出一種新型納微通道結構固體氧化物電解池，并實現了在高溫、超高電流密度苛刻條件下的穩定運行。經由掃描電鏡（SEM）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、納米三維計算機斷層掃描（nano-CT）等測試手段表征后，研究人員發現，該電解池的納微通道陽極具有高度定向的孔道（曲折因子~1）、極高的孔隙率（~58%）以及超高的孔道連通性（連通孔所占的比例為99%）。結合X射線光電子能譜（XPS）、COMSOL數值仿真等手段進行機理分析，研究人員發現，上述結構特征有助于納微通道陽極實現快速的氧氣生成和擴散動力學。電化學性能測試結果表明，該納微通道結構SOEC具有極高的電化學活性（800 ℃下極化阻抗僅為0.135 Ω cm²），在1.3 V的電解電位下，電流密度即可達到5.96 A cm^-2，對應的產氫速率高達2.5 L h^?1 cm^?2。這是目前報道中SOEC高溫電解制氫所能達到的最大穩定運行電流密度。未來，該新型納微通道結構固體氧化物電解池有望實現大規模的電解制氫工業化應用。

【數據概況】

圖1：新型納微通道陽極固體氧化物電解池結構示意圖

圖2：納微通道陽極形貌表征測試結果

圖3：納微通道電解池電化學性能測試結果

圖4：納微通道陽極XPS表征結果

圖5：納微通道陽極的納米三維計算機斷層掃描表征結果

圖6：不同結構陽極在大電流密度下電解時的內部流場分布模擬結果

【成果啟示】

大電流密度運行過程中氧電極/電解質界面脫層和衰減是限制SOEC規模化高效制氫的瓶頸問題。本工作成功制備出一種同時具有高度定向的孔道（曲折因子~1）、極高的孔隙率（~58%）以及超高的孔道連通性（連通孔所占的比例為99%）的新型納微通道陽極固體氧化物電解池。上述結構特征，有助于納微通道陽極實現快速的氧氣生成和擴散動力學。電化學測試結果表明，在800 ℃和1.3 V電解電位下，該新構型SOEC電解電流密度可高達5.96 A cm^-2，這是目前報道中SOEC高溫電解制氫穩定運行所能達到的最大電流密度。該項研究成果可為SOEC大規模電解水制氫高效能源存儲和轉化技術開發提供基礎數據和理論支持，有利于推動氫能源化學科學相關研究的發展。

原文鏈接

https://doi.org/10.1002/aenm.202200899

本論文通訊作者為清華大學于波副教授，第一作者為清華大學博士研究生曹軍文，中石化（北京）化工研究院有限公司李一楓博士及滑鐵盧大學鄭云博士為共同第一作者。

通訊作者簡介

于波，清華大學副教授，博士生導師。2004年獲清華大學博士學位，2012年麻省理工學院（MIT）訪問學者。在Chemical Society Reviews、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、Nano Energy等高水平期刊發表學術論文約150篇（其中第一/通訊SCI收錄66篇），授權發明專利50余項，撰寫英文著作3部。作為課題負責人主持國家科技重大專項高溫堆制氫子課題、清華-劍橋大學-麻省理工學院國際低碳聯盟項目、國家自然科學基金（青年、面上、重大研究計劃）、前沿探索項目、教育部新教師專項基金等。曾擔任國際期刊Energy Technology and Policy副主編、國際氫能協會核能制氫分會理事、中國硅酸鹽學會溶膠凝膠分會理事，是目前20多家SCI收錄雜志審稿人，多次擔任國際學術會議分會主席并做特邀報告。