高性能Bi2S3/Sn掺杂TiO2纳米纤维通过优化电荷转移实现高效光催化CO2还原制甲醇

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平面SOEC在800°C下蒸汽、共电解和CO2电解模式的电化学行为。通过极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)和弛豫时间分布(DRT)分析，揭示了H2O/CO2比例和H2/CO存在对面积比电阻(ASR)和反应机制的关键影响，为SOEC工业应用优化提供了重要依据。

　　

随着全球能源需求增长和温室气体排放加剧，CO₂减排技术成为研究热点。固体氧化物电解池(SOEC)因其高效能量转换特性，在"电力多元化转换"(Power-to-X)应用中展现出巨大潜力。然而，工业级SOEC在共电解和纯CO₂电解模式下的性能表现仍存在诸多未解之谜，特别是气体组分变化对电化学行为的影响机制尚不明确。奥地利格拉茨工业大学(Technische Universit?t Graz)的研究团队针对这一关键问题展开了深入研究，相关成果发表在《Journal of CO2 Utilization》上。

研究人员采用极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)结合总谐波失真(THD)分析、弛豫时间分布(DRT)计算等先进表征技术，配合扫描电子显微镜(SEM)结构分析，系统考察了活性面积81 cm²的工业级Ni-YSZ/YSZ/GDC/LSC电池在800°C下的性能表现。研究特别关注了H₂O/CO₂比例(0.14-7)、H₂/CO比例(0-∞)和产物/反应物比(P/E=0.25-1.5)等关键参数的影响。

在"3.1 事后分析"部分，SEM表征揭示了电池的精细结构：燃料电极由Ni-YSZ扩散层(多孔)和功能层(高TPB密度)组成，YSZ电解质厚度仅6μm，空气电极含GDC阻挡层防止有害相生成。这种结构设计为后续电化学性能分析提供了微观基础。

"3.2 电池性能"章节显示，纯CO₂电解(CE 2)的ASR最高达0.971 Ω cm²，而蒸汽电解(SE 1)最低为0.344 Ω cm²。当H₂O/CO₂比例降低时，ASR显著增加，且CO作为保护气体时ASR(0.516 Ω cm²)比H₂存在时(0.411 Ω cm²)更接近纯CO₂电解值，表明CO促进CO₂电化学还原而非逆水煤气变换反应(RWGS)。

"3.3 气体组分影响"的深入分析发现：在共电解模式下，DRT谱图在6Hz处出现新峰(P_LF)，对应于CO₂/CO转化过程；1000Hz附近的高频峰(P_HF)则与燃料电极的电荷转移限制相关。温度分布测量证实，高CO₂含量工况下电池冷却更显著(ΔT=-3K)，符合CO₂电解强吸热的特性。特别值得注意的是，当P/E>1时，所有频率区间的损耗均增加，表明产物覆盖会降低电极活性。

这项研究通过多尺度表征揭示了气体组分对SOEC性能的调控机制：H₂的存在使系统更接近蒸汽电解行为，而CO促进CO₂直接电化学还原。研究发现的高频过程(1000Hz)为理解电极界面反应提供了新视角。该工作不仅为SOEC在合成气生产中的优化操作提供了理论指导，其建立的DRT分析方法对其它电化学系统的诊断也具有重要参考价值。未来研究可进一步探索长期运行中电极结构演变与性能衰减的关联规律，推动SOEC技术的商业化应用。