图案电极CO2/H2O共电解制取合成气及甲烷反应机理研究

The electrochemical conversion of CO2 to fuel and chemicals in solid oxide electrolysis cell provides a pathway for renewable electricity storage while sequestering and utilizing CO2 at the same time. In order to optimize the SOEC cathode(for splitting CO2 and H2O) performance, it is important to investigate the comprehensive electrochemical oxidation processes within SOEC cathode integrating with experimental data and kinetic mechanisms. In this project, the electrochemical reactive area is quantitatively manipulated through two-dimensional design of patterned electrode. The effects of electrode geometry, operating conditions on the performance, reaction rate control steps and product gas compositions of CO2/H2O co-electrolysis are systematically studied. Then, a detailed transient elementary reaction based model of an SOEC operating with CO2/H2O mixtures is developed by incorporation of electrode micro structure, charge transfer reaction, cathode elementary heterogeneous reactions, electrochemical charge transfer kinetics, electrodes microstructure and complex transport phenomena (momentum, mass and charge transport). The polarization curve/electrochemical impedance simulation approach based on CO2/H2O electrochemical reduction elementary reaction model is developed, and the CO2/H2O co-electrolysis reaction mechanism on Ni electrode is clarified. The syngas and CH4 product manipulation approach is established, and the effects of SOEC operating conditions on CO2/H2O co-electrolysis carbon deposition characteristics are studied. The proposed work can be the theoretical basis for SOEC performance improvement and novel electrode material development.

在固体氧化物电解池中将CO2转化为合成气和烃类燃料可望成为同时实现CO2减排、资源化利用和可再生能源电力储存的有效途径。明确H2O及CO2电化学还原反应机理，对于SOEC电极开发、性能优化以及合成气产品调控具有重要意义。本项目拟以图案电极SOEC为研究对象，通过电极二维几何结构的设计实现对电化学反应活性面积的定量调控，研究电极几何结构参数、操作条件参数对CO2/H2O共电解反应性能、反应速率控制步骤及产物气体组成的影响规律。综合考虑电极微观结构、电荷转移反应、吸附/解吸附多相基元反应及表面扩散过程，建立基元反应机理模型。开发并优化基于基元反应机理模型的极化曲线/电化学阻抗谱合成算法。明确Ni电极表面CO2/H2O共电解制取合成气及CH4反应机理，建立产物定向调控机制，掌握SOEC运行工况对CO2/H2O共电解积碳程度与积碳形态的影响规律,为SOEC性能优化及新型电极材料开发奠定理论基础。

固体氧化物电解池(SOEC)CO2/H2O共电解可同步实现合成气和烃类燃料制取、CO2资源化利用以及可再生能源电力储存。明确H2O及CO2电化学还原反应机理，对于SOEC 电极开发、性能优化以及合成气产品调控具有重要意义。. 本研究以图案电极为重点研究对象，通过几何参数、操作条件参数对图案电极电化学性能与稳定性影响规律研究，掌握了图案电极电化学活性面积定量调控方法和制备工艺，获得CO2/H2O共电解本征反应动力学参数，揭示SOEC阴极表面的共电解反应及积碳机理，为SOEC电极设计与反应器开发提供反应机理。. 将图案电极成果应用于多孔电极层面，通过多孔纽扣电池实验测试以及基元反应机理建模，掌握了电极几何结构参数、操作条件参数对电解反应速率、积碳特性与产物气体组成的影响规律，提出了积碳抑制方法，明确了CO2/H2O 共电解生成合成气及CH4的反应特性，揭示了多孔电极化学/电化学反应耦合机制，建立了阴极非均相化学/电化学分区理论。. 将纽扣电池放大至管式SOEC单元层面，通过开发管式单元反应器及其多物理场模型，掌握可放大的管式SOEC操作工况优化以及合成气/CH4产物定向调控方法，明确了SOEC动态特性及其动态反应/传递强化机制。. 研究成果为本领域研究者后续深入理解CO2/H2O共电解反应机理以及产物定向调控机制提供了可借鉴的研究方法、基础实验数据以及自主开发的研究工具，可指导SOEC电极结构优化、材料开发以及寿命提升，为面向可再生能源储能的SOEC电极设计、操作条件优化奠定理论基础。