近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點實驗室研究員汪國雄和中科院院士包信和團(tuán)隊在CO2高溫電催化還原研究方面取得新進(jìn)展，揭示了固體氧化物電解池鈣鈦礦電極可逆溶出/溶解機(jī)制。

固體氧化物電解池(SOEC)可在陰極將CO2和H2O轉(zhuǎn)化為合成氣、烴類燃料，并在陽極產(chǎn)生高純O2，具有全固態(tài)和模塊化結(jié)構(gòu)、反應(yīng)速率快、能量效率高以及成本低等優(yōu)點，在CO2轉(zhuǎn)化和可再生清潔電能存儲方面表現(xiàn)出極具潛力的應(yīng)用前景。

鈣鈦礦是被廣泛研究的SOEC陰極材料，但催化活性低。在鈣鈦礦陰極原位溶出金屬納米顆粒來構(gòu)筑高活性金屬-氧化物界面，可有效提高CO2電解性能。鈣鈦礦中金屬納米顆粒的可逆溶出/溶解，是解決SOEC長期運行過程中顆粒團(tuán)聚和積炭引起電解性能下降的有效方法。然而，目前對于鈣鈦礦材料的可逆溶出/溶解機(jī)制尚不明確，亟待進(jìn)一步深入研究。

針對上述問題，該研究團(tuán)隊通過原位X射線衍射、環(huán)境掃描電子顯微鏡、掃描透射電子顯微鏡和密度泛函理論計算，研究了CoFe合金納米顆粒在Sr2Fe1.5Mo0.5O6-delta(SFMC)雙鈣鈦礦中的原位溶出/溶解過程。在還原氣氛下，Co的易脫溶性促進(jìn)了Fe離子的還原，在SFMC表面形成球形CoFe合金納米顆粒，伴隨著SFMC結(jié)構(gòu)從雙鈣鈦礦轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝钼}鈦礦；切換成氧化氣氛時，球形CoFe合金納米顆粒被氧化成CoFeOx納米片，遷移進(jìn)入鈣鈦礦內(nèi)部，同時，SFMC結(jié)構(gòu)從層狀鈣鈦礦重新轉(zhuǎn)變?yōu)殡p鈣鈦礦。CoFe合金納米顆粒的原位溶出使SFMC陰極表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的CO2電解性能和穩(wěn)定性。另外，由于CoFe合金納米粒子優(yōu)異的再生能力，即使經(jīng)歷12個氧化還原循環(huán)，SFMC陰極仍可以保持穩(wěn)定的CO2電解性能。

相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《先進(jìn)材料》(AdvancedMaterials)上。該工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和大連化物所科研創(chuàng)新基金等的資助。