汪国雄/宋月锋，最新Joule！

第一作者：Yige Guo, Shuo Wang, Rongtan Li

通讯作者：汪国雄、宋月锋

通讯单位：中国科学院大连化学物理研究所

论文速览

在固体氧化物电解池（SOECs）的阳极以有利的甲烷（CH₄）重整反应取代缓慢的析氧反应（OER），可以极大减少阴极上CO₂电还原的电力需求。然而，钙钛矿阳极对CO₂重整的活性和稳定性一直有限。

在本文中，作者通过调整B位点组分的平均析出能量，实现了在La_0.6Sr_0.4Ti_0.3Fe_0.5Co_0.2O_3-d（LSTFC2）阳极表面上高密度CoFe合金纳米粒子的析出，这些纳米粒子在800 °C时表现出卓越的阳极CH₄重整性能，CH₄转化率为86.9%，CO选择性为90.1%，并且在1250 h的稳定运行中，CO选择性保持在95%以上。

此外，CH₄辅助SOECs的CO生产电能消耗从传统SOECs的3.46 kWh m^-3降低到0.31 kWh m^-3。本工作为热力学上提升阴极CO₂电解还原性能并同时在阳极转化CH₄为合成气提供了一种高效策略。

图文导读

图1：阳极POM催化剂的形态表征，包括扫描电子显微镜（SEM）图谱、透射电子显微镜（TEM）图谱、能量损失谱（EELS）元素图，以及X射线吸收光谱（XAS）和X射线光电子能谱（XPS）结果。

图2：CH₄活化能力和阳极POM性能测试，包括CH₄温度程序表面反应（TPSR）曲线和SOECs中的POM性能测试。

图3：原子结构与表面环境研究。X射线吸收近边结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）光谱对LSTFC2-R的原子结构和表面环境进行研究，以及准原位XPS和原位透射电子显微镜（BF-STEM）图像和EELS光谱。

图4：CH₄激活的机理研究，包括原位红外光谱（IR）和准原位拉曼光谱，以及密度泛函理论（DFT）计算。

图5：电化学性能，包括SOEC的示意图、电化学阻抗谱（EIS）结果、电流密度-电压（J-V）曲线，以及传统SOEC和POM辅助SOEC在800 °C时的电力消耗比较。

总结展望

本文通过原位析出策略在LSTFCx阳极表面制备了稳定的CoFe合金纳米粒子，用于SOECs中的POM。通过优化Co掺杂量来调整B位组分的平均析出能量，LSTFC2展现出最小的纳米粒子尺寸和最高的析出纳米粒子数量，表现出优异的阳极POM性能和在800 °C时的稳定性。

同时，POM的引入显著降低了每立方米CO的电能消耗，从传统SOECs的3.46 kWh m^-3降低到0.31 kWh m^-3。物理化学表征和DFT计算揭示了CH₄可能在纳米粒子上发生裂解，生成H₂和炭，然后与溢流氧物种反应生成CO。本工作为合理设计稳定的POM辅助SOECs阳极提供了宝贵的见解，并激发了将CH₄电化学转化为增值产品广泛兴趣。

文献信息

标题：In situ exsolved CoFe alloy nanoparticles for stable anodic methane reforming in solid oxide electrolysis cells

期刊：Joule

DOI：10.1016/j.joule.2024.04.009