Gd0.2Ce0.8O1.9纳米颗粒对固体氧化物电解池La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ阳极析氧反应的影响

关放 张小敏 宋月锋 周莹杰 汪国雄 包信和

引用本文: 关放,  张小敏,  宋月锋,  周莹杰,  汪国雄,  包信和. Gd0.2Ce0.8O1.9纳米颗粒对固体氧化物电解池La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ阳极析氧反应的影响[J]. 催化学报, 2018, 39(9): 1484-1492. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63118-3 shu
Citation:  Fang Guan,  Xiaomin Zhang,  Yuefeng Song,  Yingjie Zhou,  Guoxiong Wang,  Xinhe Bao. Effect of Gd0.2Ce0.8O1.9 nanoparticles on the oxygen evolution reaction of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ anode in solid oxide electrolysis cell[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2018, 39(9): 1484-1492. doi: 10.1016/S1872-2067(18)63118-3 shu

Gd0.2Ce0.8O1.9纳米颗粒对固体氧化物电解池La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ阳极析氧反应的影响

  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2017YFA0700102);国家自然科学基金(21703237,21573222,91545202);大连化学物理研究所DMTO项目(DICPDMTO201702);中国科学院先导专项(XDB17020200);中国科学院青年创新促进会(2015145).

摘要: 化石燃料的使用排放了大量CO2,对气候和环境造成了日益严重的危害.固体氧化物电解池(SOEC)能够利用可再生能源产生的电能将CO2高效转化成CO,降低CO2排放的同时,又能减少化石燃料的使用,近年来受到研究者的广泛关注.相比于低温液相CO2电还原,SOEC高的运行温度保证了其较高的反应速率,即较高的电流密度.典型的SOEC单电池由多孔阴极、致密电解质和多孔阳极以三明治的方式组装而成.CO2分子在阴极得到两个电子解离成CO和一个O2-;生成的O2-通过致密电解质传导至阳极,在阳极失去四个电子发生析氧反应(OER)生成一个O2.相比于两电子的阴极反应,阳极四电子的析氧反应更难进行,可能是整个电极过程的速控步,因此开发高性能的阳极材料有望显著提高SOEC的CO2电还原性能.
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)因具有较高的混合离子-电子导电性而被用作SOEC阳极材料,但受LSCF-气体两相界面的限制,其OER性能较低.研究表明,LSCF-掺杂的CeO2-气体所构成的三相界面相比于LSCF-气体两相界面具有更高的电化学反应活性,即OER反应更易在三相界面进行.因此,本文将Gd0.2Ce0.8O1.9(GDC)纳米颗粒浸渍到SOEC LSCF阳极来提高其OER活性,考察了纳米颗粒浸渍量(3,5,10和20 wt%)对SOEC电化学性能的影响.结果表明,SOEC的电化学性能随浸渍量的增加而逐渐升高,当GDC纳米颗粒浸渍量为10wt%时(10GDC/LSCF),SOEC的电化学性能达到最高,在800℃和1.6V的电流密度为0.555A cm-2,是LSCF阳极SOEC性能的1.32倍.继续增加浸渍量到20wt%,电化学性能反而开始下降.电化学阻抗谱测试结果表明,GDC纳米颗粒的加入减小了SOEC的极化电阻.对应的弛豫时间分布函数解析结果表明10GDC/LSCF阳极上的OER由四个基元反应构成.电镜和O2-程序升温脱附结果表明,GDC纳米颗粒的加入显著增加了10GDC/LSCF阳极三相界面和表面氧空位的数量以及体相氧的流动性,从而促进了OER四个基元反应的反应速率,降低了这几个过程的极化电阻,因而降低了OER反应的极化电阻,提高了SOEC电还原CO2的电化学性能.

English

    1. [1] G. P. Peters, C. Le Quéré, R. M. Andrew, J. G. Canadell, P. Friedlingstein, T. Ilyina, R. B. Jackson, F. Joos, J. I. Korsbakken, G. A. McKinley, S. Sitch, P. Tans, Nature Clim. Change, 2017, 7, 848-850.

    2. [2] Y. Zheng, J. Wang, B. Yu, W. Zhang, J. Chen, J. Qiao, J. Zhang, Chem. Soc. Rev., 2017, 46, 1427-1463.

    3. [3] X. Zhang, Y. Song, G. Wang, X. Bao, J. Energy Chem., 2017, 26, 839-853.

    4. [4] Q. Fu, C. Mabilat, M. Zahid, A. Brisse, L. Gautier, Energy Environ. Sci., 2010, 3, 1382-1397.

    5. [5] J. Wu, X. D. Zhou, Chin. J. Catal., 2016, 37, 999-1015.

    6. [6] J. Kong, W. Cheng, Chin. J. Catal., 2017, 38, 951-969.

    7. [7] Y. Huang, M. Zhang, P. Liu, F. Cheng, L. Wang, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1249-1256.

    8. [8] X. Leng, K. H. Wu, B. J. Su, L. Y. Jang, I. R. Gentle, D. W. Wang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1021-1027.

    9. [9] L. Cao, S. Jiang, G. Zhang, X. Tang, X. Qin, Z. Shao, B. Yi, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1196-1206.

    10. [10] Y. Song, X. Zhang, Y. Zhou, Q. Jiang, F. Guan, H. Lv, G. Wang, X. Bao, Energy Storage Mater., 2018, 13, 207-214.

    11. [11] O. A. Marina, L. R. Pederson, M. C. Williams, G. W. Coffey, K. D. Meinhardt, C. D. Nguyen, E. C. Thomsen, J. Electrochem. Soc., 2007, 154, B452-B459.

    12. [12] B. Hu, Y. Wang, C. Xia, J. Power Sources, 2014, 269, 180-188.

    13. [13] Q. Xu, D. P. Huang, W. Chen, J. H. Lee, H. Wang, R. Z. Yuan, Scripta Mater., 2004, 50, 165-170.

    14. [14] W. Liu, Z. Zhao, B. Tu, D. Cui, D. Ou, M. Cheng, Chin. J. Catal., 2015, 36, 502-508.

    15. [15] X. Zhang, Y. Song, F. Guan, Y. Zhou, H. Lv, G. Wang, X. Bao, J. Catal., 2018, 359, 8-16.

    16. [16] E. Bucher, W. Sitte, G. B. Caraman, V. A. Cherepanov, T. V. Aksenova, M. V. Ananyev, Solid State Ionics, 2006, 177, 3109-3115.

    17. [17] P. Zeng, R. Ran, Z. Chen, H. Gu, Z. Shao, J. C. Diniz Dacosta, S. Liu, J. Membr. Sci., 2007, 302, 171-179.

    18. [18] A. Mineshige, J. Izutsu, M. Nakamura, K. Nigaki, J. Abe, M. Kobune, S. Fujii, T. Yazawa, Solid State Ionics, 2005, 176, 1145-1149.

    19. [19] R. Dinamarca, X. Garcia, R. Jimenez, J. L. G. Fierro, G. Pecchi, Mater. Res. Bull., 2016, 81, 134-141.

    20. [20] K. Wang, L. Qian, L. Zhang, H. Liu, Z. Yan, Catal. Today, 2010, 158, 423-426.

    21. [21] B. Levasseur, S. Kaliaguine, J. Solid State Chem., 2008, 181, 2953-2963.

    22. [22] Y. Tao, S. D. Ebbesen, M. B. Mogensen, J. Electrochem. Soc., 2014, 161, F337-F343.

    23. [23] Y. Tao, S. D. Ebbesen, M. B. Mogensen, J. Power Sources, 2016, 328, 452-462.

    24. [24] B. Liu, H. Muroyama, T. Matsui, K. Tomida, T. Kabata, K. Eguchi, J. Electrochem. Soc., 2010, 157, B1858-B1864.

    25. [25] A. Leonide, B. Rüger, A. Weber, W. A. Meulenberg, E. Ivers-Tiffée, J. Electrochem. Soc., 2010, 157, B234-B239.

    26. [26] X. Zhang, W. Wu, Z. Zhao, B. Tu, D. Ou, D. Cui, M. Cheng, Catal. Sci. Technol., 2016, 6, 4945-4952.

    27. [27] X. J. Chen, K. A. Khor, S. H. Chan, J. Power Sources, 2003, 123, 17-25.

    28. [28] J. D. Kim, G. D. Kim, J. W. Moon, Y. Park, W. H. Lee, K. Kobayashi, M. Nagai, C. E. Kim, Solid State Ionics, 2001, 143, 379-389.

    29. [29] K. Asano, D. Klotz, J. Hayd, J. Szasz, E. Ivers-Tiffee, J. Electrochem. Soc., 2014, 161, F940-F943.

    30. [30] J. Yan, Z. Zhao, L. Shang, D. Ou, M. Cheng, J. Power Sources, 2016, 319, 124-130.

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  • 收稿日期:  2018-05-29
  • 修回日期:  2018-06-06
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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