克服高温二氧化碳电解产生的碳沉积问题

固体氧化物电解池(SOEC)中的高温二氧化碳电还原(HT-CO_(2)RR)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-CO_(2)RR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-CO_(2)RR中积碳的形成机制.HT-CO_(2)RR中积碳的形成是由于CO发生了歧化反应:2CO(g)⇌C+CO_(2)(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^(*)和O^(*),(2)表面CO^(*)和O^(*)耦合形成CO_(2)^(*).整个反应受CO^(*),C^(*),O^(*)和CO_(2)^(*)表面覆盖率影响,高CO^(*)和C^(*)覆盖率推动反应向积碳生成的方向进行,而高CO_(2)^(*)和O^(*)覆盖率则有利于逆反应发生.Ni通常被认为是HT-CO_(2)RR中Boudouard反应的催化剂.密度泛函理论(DFT)研究发现,较低的CO解离(即CO^(*)+^(*)→C^(*)+O^(*))势垒和较强的C吸附能可能会导致高表面C^(*)覆盖率,促进积碳生成.因此,与具有高配位数的Ni(111)表面相比,具有较低配位数的Ni(211)表面更容易使HT-CO_(2)RR反应过程发生积碳.同时,由于SOEC中的CO解离涉及来自外部电路的电子转移,从而使C从+2价降低到0价,施加阴极偏压会进一步降低CO解离的反应势垒和自由能.但前期的实验和模拟表明,在多数情况下,系统中的CO化学歧化更可能是HT-CO_(2)RR中积碳形成的主要原因.但也有部分研究发现,在基于ZrO_(2)和CeO_(2)的SOEC体系中,积碳也可能由这些氧化物直接电化学催化CO_(2)或CO还原形成,并且施加电压会促进积碳产生.此外,有研究表明,过高的局部CO浓度也会导致积碳形成.提升电极孔隙率、降低电极厚度,可有效促进气体扩散,降低催化电极表面的局部CO浓度,从而抑制积碳形成.目前已有的预防SOEC中HT-CO_(2)RR积碳形成的策略包括使用基于电解质支撑结构的电化学池促进CO扩散以及开发非Ni基催化剂,如完全基于CeO_(2)材料的电极.然而,这些设计都存在一个重要缺陷,即较低的离子或电子电导会大幅增加电解池的阻抗,严重降低能量效率.对此,本文提出两种可能有效的解决方案:一种是使用对C^(*)亲和力更低的金属,如Ag,Cu代替Ni,并与CeO_(2)基离子导体结合,制备催化电极;另一种是使用对CO_(2)^(*)吸附能力更强,可以促进Boudouard逆反应进行且同时具备较高电子和氧离子电导率的钙钛矿氧化物材料制备电极.这两种策略都是通过对表面吸附物种的有效控制,实现系统抗积碳性能的提升.同时,这些策略需要与电解质支撑固体电解池制备工艺优化以及气体扩散进一步增强等措施相结合,从而实现工业级的高性能高温CO_(2)电解转化.