Nature:新型催化剂 90%效率 2000小时寿命


EPFL胡喜乐研究团队针对高温(800°C)固体氧化物电解池(SOEC)中二氧化碳电还原效率低、寿命短的问题,开发了一种新型催化剂:Sm₂O₃掺杂CeO₂(SDC)封装的Co-Ni合金(Co₀.₅Ni₀.₅@SDC)。通过优化合金成分与封装结构设计,该催化剂在800°°C下进行高温CO2转CO转化,1 A cm⁻²电流密度下实现了90%的能量效率2000小时以上的超长寿命,其对CO的选择性约为100%,单次转化率可达90%。研究结合实验表征(如XPS、XANES、原位电化学阻抗谱)和理论计算(DFT),揭示了其高活性与稳定性的机制,即金属-氧化物界面增强CO₂吸附,同时合金成分抑制焦炭形成与金属团聚,突破了传统催化剂在活性与稳定性之间的权衡。研究成果以Encapsulated Co–Ni alloy boosts high-temperature CO2 electroreduction为题发表于Nature。

主要创新点

1.封装结构设计

将Co-Ni合金核心包裹在SDC壳层中,有效抑制高温下金属颗粒团聚和焦炭沉积。通过SDC的高氧离子传导性,促进三相界面(CO₂、催化剂、电解质)的反应动力学。

2.合金成分优化

发现Co/Ni摩尔比为0.5:0.5时性能最佳,平衡了CO₂吸附强度与CO脱附能力,避免产物中毒。合金化协同调控电子结构,增强电荷转移,提升催化活性。

3.性能突破

在工业级电流密度(1 A cm⁻²)下,能量效率达90%(传统催化剂<70%),寿命超2000小时(传统<200小时)。单程CO产率高达90%,且无需额外氢气源,简化系统设计。

图1:高温二氧化碳电还原的示意图。

图2 :二氧化碳电还原性能。

图3:特征描述。

图4:运作机制

论文地址:https://www.nature.com/articles/s41586-025-08978-0

 

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