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材料与物理学院煤基燃料电池团队在高温电解及CO2资源化方面取得研究进展

2022-06-01 13:49:14
云上高博会 https://heec.cahe.edu.cn

2030碳达峰,2060碳中和的战略目标亟需发展“减碳、零碳”技术。煤炭等传统化石燃料的高效清洁应用,属于“减碳”技术。太阳能、风能等可再生能源的规模利用属于“零碳”技术。然而这些可再生能源的一个关键性缺点是间歇性供应:风能取决于气候条件,太阳能和潮汐能取决于时间条件。为了克服这些缺点,迫切需要能量转换和存储技术,其中对称固体氧化物电解池因其高效、环保和广泛的应用而备受关注。该技术可以将这些不连续的清洁能源通过电解水产氢、电解CO2产CO等高效存储起来,具有广阔的应用前景。

近日,国际知名期刊Cell旗下子刊Matter(IF=15.59)刊登了我校煤基燃料电池及高效制氢研究所田云峰博士、凌意瀚特聘研究员与华中科技大学池波教授、韩国蔚山科学技术研究院Prof. Guntae Kim的最新成果“对称固体氧化物电解池的研究进展与发展前景”(Progress and potential for symmetrical solid oxide electrolysis cells)。田云峰博士为第一作者,华中科技大学池波教授、我校凌意瀚特聘研究员、韩国蔚山科学技术研究院Guntae Kim教授为共同通讯作者,中国矿业大学为第一通讯单位。

对称固体氧化物电解池(SSOEC)具有相同的阳极和阴极材料,因其制备工艺简单、成本低而备受关注。并且这些SSOEC在实际应用中更方便,不需要区分阴极和阳极。到目前为止,还没有全面的综述来总结SSOEC的最新进展。此工作重点介绍了它们的发展历史、机理、电解质、电极材料以及制备方法。介绍了降低过电位的燃料辅助SSOEC以及基于SSOEC的其他应用。此外还介绍了SSOEC未来研究的挑战和前景,在一定程度上为设计更好的商用SSOEC电极提供了重要的见解和指导。

固体氧化物电解池(SOEC)是固体氧化物燃料电池(SOFC)的逆过程,图一所示,SOEC通过电解H2O产生氢气,通过电解CO2减少CO2排放,并对H2O/CO2进行共电解以产生用于化工生产的H2/CO合成气。其产品可应用于炼钢、化工、农业、航空航天和医疗等众多领域。而对称固体氧化物电解池(SSOEC)又因为结构差别与传统的SOEC相比有较大优势。

文中论述了SSOEC的电解质、电极材料的要求和选择以及目前的发展研究现状,电极材料分为ABO3、AA’B2O6结构和层状钙钛矿氧化物以及尖晶石氧化物四种结构(图二a所示)。并且总结了可逆对称固体氧化物电解池(Reversible SSOECs)、质子传导对称固体氧化物电解池(H-SSOECs)、燃料辅助对称固体氧化物电解池的发展现状及基于SSOEC的其它应用。最后从提高电池性能(图二b)、防止电池衰减、研究反应机理和开发潜在应用四个方面对SSOEC未来的发展做出了展望。

该课题得到国家重点研发计划(2020YFB1506304)、国家自然科学基金(52172199、52072135、52002121)、中央高校基础研究基金(2021QN1111)、国家留学基金委员会(201806160178)、教育部功能材料绿色制备与应用重点实验室,江苏省煤基温室气体控制与利用重点实验室(2020KF04),教育部绿色化工重点实验室开放项目(GCP202118)的支持。同时还得到了中国矿业大学实验室开放基金“大型仪器设备开放共享基金”的资助。