利用原位碳酸氢盐池最大化Arthrospira platensis的CO2生物固定：pH和碳酸氢盐浓度的CO2调控优化

为解决固体氧化物电解池(SOEC)在变气体组分下的性能问题，研究人员系统研究了工业级SOEC在800°C下蒸汽/共/纯CO2电解的电化学行为。通过极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)和弛豫时间分布(DRT)分析，发现H2O/CO2比例降低会增大面积比电阻(ASR)，而H2的存在可维持接近蒸汽电解的ASR水平。该研究为SOEC工业应用优化提供了关键数据。

　　

随着全球温室气体排放持续攀升，如何高效转化CO₂成为实现碳中和目标的关键挑战。固体氧化物电解池(SOEC)因其在Power-to-X应用中的高效率备受关注，但其在混合气体条件下的性能机制尚不明确，特别是共电解和纯CO₂电解模式下，气体组分对电极过程的动态影响亟待阐明。工业级SOEC的操作优化缺乏系统性研究，这严重制约了该技术的大规模应用。

奥地利格拉茨工业大学（Graz University of Technology）的研究团队在《Journal of CO2 Utilization》发表的最新研究中，采用多尺度分析方法揭示了气体组分对SOEC性能的调控机制。研究人员选用活性面积达81 cm²的工业级Ni-YSZ/YSZ/GDC/LSC电池，通过精密设计的测试平台，结合极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)和弛豫时间分布(DRT)分析，系统考察了800°C下不同H₂O/CO₂比例和产物/反应物(P/E)比对电池性能的影响。

关键技术包括：1）采用配备12个热电偶的陶瓷电池支架监测温度场分布；2）通过配备谐波失真分析(THD)的Gamry Reference 3000?进行高精度EIS测量；3）利用扫描电镜(SEM)对电池微观结构进行表征；4）基于Cantera软件包计算热力学参数。

3.1 微观结构特征

SEM分析显示，还原后的Ni-YSZ燃料电极呈现典型的多孔结构，Ni骨架与底层功能层形成三维网络。厚度约6 μm的YSZ电解质和26 μm的空气电极（含GDC阻挡层）构成完整的三相界面体系，为后续电化学分析提供结构基础。

3.2 电池性能调控

极化曲线表明，当H₂O/CO₂比例从7降至0.33时，ASR从0.344 Ω cm²升至0.516 Ω cm²。值得注意的是，含H₂的混合气体使ASR接近蒸汽电解水平（0.344-0.411 Ω cm²），而含CO的体系ASR趋近CO₂电解值（0.566 Ω cm²）。气体分析证实，CO的存在使CO₂转化率提升12.5%-18%，但代价是更高的能耗。

3.3 过程机理解析

DRT分析揭示三个特征频率区：>1000 Hz对应电荷/质量转移（P_HF），100-1000 Hz反映空气电极氧析出（P_MHF），<100 Hz关联气体扩散（P_MLF）。特别在CO₂电解中，新增的~1000 Hz峰（贡献2.5 mΩ）被确认为CO₂还原的特异性过程。温度场监测显示，纯CO₂电解时电极降温达2.4 K，显著高于蒸汽电解的1.5 K，印证其更强的吸热特性。

该研究首次在工业级SOEC上建立了气体组分-性能的定量关系，证实H₂的引入可通过维持还原氛围降低ASR，而CO虽提升CO₂转化率但增加能耗。创新性地发现1000 Hz特征峰可作为CO₂电解过程的标志物，为在线监测提供了新思路。研究提出的P/E≤1的操作窗口，为工业系统设计提供了关键参数，将推动SOEC在绿氢和合成气生产中的规模化应用。