摘要
固体氧化物电解池(SolidOxideElectrolysisCells,SOECs)作为一个能量转化装置可以使用太阳能、风能、核能等清洁能源产生的电能作为动力将电能转化成化学能。常将二氧化碳或者水蒸气高温电解成一氧化碳或者氢气，既能解决能源危机，又能缓解环境问题而引起大量关注。随着电解池电解CO2的研究过程中，发现电解反应过程最大的限速环节是CO2的氧化还原过程，因此针对阴极材料的研发和设计，成为了电解池的主要研究方向。 固体氧化物电解池阴极材料研究进程中发现，尽管金属/陶瓷氧化物复合(Ni-YSZ)作为传统的阴极材料在高温电解气体时表现出了良好的电化学催化能力。但是Ni-YSZ在电解CO2运行过程中容易出现Ni的氧化、团聚等问题，严重影响电解池的电解速率；此外，金属镍对CO2裂解的催化活性较高，极有可能发生积碳，导致电池性能下降，制约Ni-YSZ的应用。钙钛矿型氧化物电极是一种极具潜力的替代电极，具有离子电子混合导电性(MIEC)，氧化还原稳定性好、成本低等优点。本文主要针对RP(Ruddlesden-Popper)型层状钙钛矿氧化物作为SOEC阴极材料进行研究。 本文运用溶胶-凝胶法合成了La0.5Sr0.5FeO3-?和RPLaSrFeO4-?阴极材料。探讨了在氧化还原稳定性良好的RPLaSrFeO4-?基体表面原位溶出Fe金属纳米颗粒，研究其电解CO2的性能。具体操作为La0.5Sr0.5FeO3-?还原处理后可以转化成RPLaSrFeO4-?和金属Fe。利用X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、能谱(EDS)等技术表征金属Fe纳米颗粒的析出。通过电导率、光电子能谱(XPS)、气体吸附(CO2-TPD)等测试发现金属Fe的析出提高了电极粉体对CO2的催化能力。800℃电解CO2结果显示：1.5V工作电压获得的电流密度为-1270mA?cm-2，相比于RPLSF阴极材料的-780mA?cm-2性能高出约60%；在800℃，1.0VFe-RPLSF阴极的极化电阻为0.25??cm2，明显低于RPLSF的0.72??cm2。电解池在对CO2电解的法拉第效率均能达到90%以上。说明原位溶出的Fe纳米颗粒增加催化活性位点，提高电极电解CO2的电催化性能。 其次，在电解池阴极材料RPLaSrFeO4-?的B位掺杂催化活性高的低价态Ni元素，通过掺杂取代来调控材料的结构，研究其可逆气氛下的性能。随着Ni元素的掺杂，电导率有明显的提高，(1:1)CO/CO2混合气氛的对称电池阻抗谱表明：Ni含量的增加有利于降低电极的极化阻抗，且掺杂量为0.1时性能最好。通过对不同CO/CO2混合气氛中的极化阻抗分析，解析可逆气氛下电极表面的反应机理。说明Ni掺杂的调控能够提高电极性能。
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