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SOEC同步还原CO2和氧化C2H6脱氢的电极材料设计及性能研究
结题报告
批准号:
52002249
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
16.0 万元
负责人:
李一航
依托单位:
学科分类:
E0208.无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2022
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
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中文摘要
固体氧化物电解池可以高效地将可再生能源电力转化为高价值化学品,是实现“碳中性循环”可持续发展的关键技术。本项目提出利用固体氧化物电解技术同步还原CO2和氧化C2H6脱氢制备化学品,发展一种阴离子掺杂的Fe基钙钛矿电极材料,实现到CO和C2H4的高效转化。利用固相反应等制备方法研制阴离子掺杂的材料,研究掺杂对制备条件、微结构和晶体结构的影响等;研究对电极材料的本征性质的影响,包括缺陷浓度、吸附性质、电子-离子电导机制、氧化学扩散能力和表面氧交换能力等;构建对称电池研究电极的电化学能,包括CO2还原和C2H6氧化脱氢的界面极化电阻及活化能等;进一步构建单电池,研究电解池的电化学性能和稳定性,包括极化性质、法拉第效率、转化率和产物的选择性,以及电池在恒压/恒流模式下电极的演变和反应产物的变化;最后对其反应机理做初步的探索。通过以上研究,研制出一种电导率、催化活性和稳定性均良好的新型电极材料。
英文摘要
Solid oxide electrolysis cell (SOEC) can efficiently convert renewable energy into high-value chemicals, which is the key technology to realize the sustainable development of "Carbon Neutral Cycle". This project proposes to use SOEC technology to reduce CO2 and oxidize C2H6 dehydrogenate simultaneously to prepare chemical raw materials. The efficient generation of CO and C2H4 will be realized by developing an anion-doped Fe-based perovskite oxide electrode material. The anion-doped materials will be prepared by using conventional ceramic fabrication processes such solid phase reaction method.Their preparation condition, microstructure and crystal structure of materials will be investigated. The effects of anion doping on the intrinsic properties of Fe-based perovskite will be systematically studied, including defect concentration, adsorption properties, electron-ion conductance mechanism, oxygen ion diffusion and surface oxygen exchange capacity. The electrochemical performance of the electrode will be evaluated based the constructed symmetrical cells, including the interface polarization resistance and activation energy of CO2 reduction and C2H6 oxidative dehydrogenation.Furthermore, SOEC single cell will be constructed and the electrochemical properties and stability will be evaluated, including polarization properties, Faraday efficiency, conversion rate and product selectivity, as well as the evolution of the electrode and product under constant voltage/constant current mode. Finally, the reaction mechanism will be preliminarily explored. Through the above research, a novel electrode material with good conductivity, catalytic activity and stability will be developed.
固体氧化物电解池(SOECs)可直接将将电能转化为化学能储存,该技术利用可再生能源电力将CO2电解为CO和O2,因此SOECs电解技术在CO2减排和利用并实现“碳中性循环”中扮演关键角色。该项目的主要研究内容和研究结果如下:(1)开发了电导弛豫法(ECR),将该方法应用到研究固体氧化物电解池(SOEC)体系混合电子-离子导体的CO2还原反应。该方法中,气体分压变化导致的CO2分压(即氧分压)看做过电势(η)、反应速率常数kchem看做CO2还原反应速率(i),根据欧姆定律二者相除即为反应电阻,基于此利用归一化的电导率方程论证了kchem与实际电化学测试中过电势、电流密度和极化电阻的关系。(2)开发了4种CO2还原的电极材料包括CoFe-RPSFM,NiFe-SFM,NiFe-SFM(F)和Pr(Ca)Fe(Ni)O3-δ-Ca2Fe2O5等四个复相电极。利用扫描电镜和高分透射电镜研究了电极的微结构,确定了电极的制备工艺参数;利用对称电池测试电化学阻抗谱,同时利用弛豫时间分布(DRT)方法分析了电极还原CO2的动力学过程和反应机理,确定了电极反应的速控步骤和电极微结构的优化策略;利用单电池评价了CO2还原的电化学性能(最佳性能为2.66 Acm-2@1.5V&800oC)和稳定性(~140h)。(3)研究了SOFC体系的阴极材料改性。基于逆向原子捕获策略提出利用MoO3改性商业LSCF阴极,SrMoO4相抑制了Sr元素的偏析同时LSCF的ORR活性和放电稳定性(~1000h无衰减)显著提升;利用GDC与BCFZY形成复相改善电极与电解质的匹配性,虽然牺牲了功率密度但电池的寿命(~100h)和热循环性能(54次)显著改善。上述研究成果可为SOECs的CO2高效能源转化技术开发提供基础数据和科学支持。
期刊论文列表
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Solar-driven H2O/CO2 conversion to fuels via two-step electro-thermochemical cycle in a solid oxide electrochemical cell
太阳能驱动的 H2O/CO2 通过固体氧化物电化学电池中的两步电热化学循环转化为燃料
DOI:10.1016/j.enconman.2022.115578
发表时间:2022-05
期刊:Energy Conversion and Management
影响因子:10.4
作者:Pan Heng;Li Yihang;Zhu Liya;Lu Youjun
通讯作者:Lu Youjun
Efficient reversible CO/CO2 conversion in solid oxide cells with a phase-transformed fuel electrode
使用相变燃料电极在固体氧化物电池中实现高效可逆 CO/CO2 转化
DOI:10.1007/s40843-020-1531-7
发表时间:2021
期刊:Science China Materials
影响因子:--
作者:Li Yihang;Singh Manish;Zhuang Zechao;Jing Yifu;Li Fengjiao;Maliutina Kristina;He Chuanxin;Fan Liangdong
通讯作者:Fan Liangdong
Reversely trapping atoms from a perovskite surface for high-performance and durable fuel cell cathodes
从钙钛矿表面反向捕获原子,以获得高性能和耐用的燃料电池阴极
DOI:10.1038/s41929-022-00764-9
发表时间:2022-04
期刊:Nature Catalysis
影响因子:37.8
作者:Zhuang Zechao;Li Yihang;Yu Ruohan;Xia Lixue;Yang Jiarui;Lang Zhiquan;Zhu Jiexin;Huang Jiazhao;Wang Jiaou;Wang Yu;Fan Liangdong;Wu Jinsong;Zhao Yan;Wang Dingsheng;Li Yadong
通讯作者:Li Yadong
Effects of Ceria on the Oxygen Reduction Activity and Thermal Cycling Stability of BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3−δ Cathode for Solid Oxide Fuel Cells
二氧化铈对固体氧化物燃料电池BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-阴极氧还原活性和热循环稳定性的影响
DOI:10.1021/acsaem.2c02949
发表时间:2022-11
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces
影响因子:9.5
作者:Li Yanpu;Li Yihang;Singh Manish;Li Zhengnan;Hu Xingliu;Fan Liangdong
通讯作者:Fan Liangdong
Achieving excellent and durable CO2 electrolysis performance on a dual-phase fuel electrode in solid oxide electrolysis cells
在固体氧化物电解池中的双相燃料电极上实现优异且持久的 CO2 电解性能
DOI:10.1016/j.jpowsour.2021.229599
发表时间:2021-04
期刊:Journal of Power Sources
影响因子:9.2
作者:Li Yihang;Li Yanpu;Yu Lixiang;Hu Qicheng;Wang Qi;Maliutina Kristina;Fan Liangdong
通讯作者:Fan Liangdong
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