為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)需要?jiǎng)?chuàng)新的CO2還原技術(shù)，而固體氧化物電解池（SOEC）因其高效將CO2轉(zhuǎn)化為氧氣、燃料和化學(xué)品的能力而備受關(guān)注。然而，目前廣泛使用的鎳基燃料電極在直接CO2電解條件下存在氧化還原不穩(wěn)定性的問(wèn)題，嚴(yán)重制約了其商業(yè)化應(yīng)用。此外，傳統(tǒng)的電極制備方法耗時(shí)、復(fù)雜且成本較高，迫切需要新的材料和工藝來(lái)提高SOEC的性能和可制造性。韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院TaeHoShin和英國(guó)圣安德魯斯大學(xué) JohnT.S.Irvine提出了一種新型全陶瓷燃料電極(La0.75Sr0.25)0.97Cr0.5Mn0.5O3@Ce0.6Mn0.3Fe0.1O2(LSCM@nano-CMF)，采用超聲噴涂技術(shù)實(shí)現(xiàn)一步法制備。這種方法能夠快速形成具有納米結(jié)構(gòu)的均勻電極，顯著簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)多步驟的浸漬制備工藝。研究表明，這種納米催化劑富含氧空位，并在鈣鈦礦/螢石相界面形成獨(dú)特的協(xié)同催化效應(yīng)，大幅提升了CO2吸附能力和電化學(xué)活性。

　　本文要點(diǎn)

　　要點(diǎn)1. 超聲噴涂封裝技術(shù)（ETUS）制備電極    利用超聲噴涂封裝技術(shù)（ETUS）制備了具有高催化活性的LSCM@nano-CMF電極，展現(xiàn)出簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的制備工藝。通過(guò)超聲噴涂將CMF納米催化劑均勻引入電極結(jié)構(gòu)，形成穩(wěn)定且均勻分布的活性催化層，這是傳統(tǒng)浸漬工藝難以實(shí)現(xiàn)的。掃描電子顯微鏡（SEM）結(jié)果顯示，尺寸約40nm的CMF納米催化劑均勻分布在LSCM表面，并形成了獨(dú)特的納米凸起結(jié)構(gòu)。透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)一步揭示了CMF與LSCM在鈣鈦礦/螢石界面上形成一致的晶格連接，界面上的晶格失配導(dǎo)致應(yīng)變效應(yīng)，有助于創(chuàng)建活性位點(diǎn)并加速離子傳輸。此外，能量色散X射線光譜（EDS）表明，CMF相均勻覆蓋在LSCM表面，并在熱處理后形成點(diǎn)狀凸結(jié)構(gòu)。該技術(shù)為SOEC電極的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新思路，有望提升CO2電解性能。

　　圖1利用超聲噴涂技術(shù)制備高度均勻的CMF催化劑：(a)基于La₀.₈Sr₀.₂Ga₀.₈Mg₀.₂O₃(LSGM)的電池，涂覆La₀.₄Ce₀.₆O₂(LDC)層的超聲噴涂工藝示意圖。(b)–(e)超聲噴涂制備的LSCM@nano-CMF電極的截面SEM圖。(f)FIB加工的LSCM@nano-CMF的高分辨率TEM分析，(g)放大的CMF催化劑圖像，(h)和(i)LSCM與CMF之間的界面。(j)LSCM表面CMF催化劑的掃描TEM-EDS分布圖。

　　要點(diǎn)2.極性能與催化劑濃度密切相關(guān)  研究不同Ce(Mn,Fe)O2(CMF)濃度對(duì)LSCM@nano-CMF電極性能的影響，發(fā)現(xiàn)電極性能與催化劑濃度密切相關(guān)。SEM圖像表明，CMF納米顆粒在噴涂濃度≥6.25wt%時(shí)均勻覆蓋LSCM表面，12.5wt%濃度的電極在850°C、1.5V條件下表現(xiàn)出最佳電流密度（3.01Acm-2），比純LSCM電極性能提升126%。然而，過(guò)高濃度（25wt%）導(dǎo)致性能下降，主要由于CMF導(dǎo)電性低于LSCM，造成界面阻抗增加。EIS和DRT分析揭示，CMF通過(guò)富氧空位特性加速了CO2的吸附/解離（P3過(guò)程）及表面交換（P2過(guò)程），但高濃度時(shí)活性減弱。研究確認(rèn)12.5wt%的CMF濃度形成的納米凸起結(jié)構(gòu)為最優(yōu)，能顯著增強(qiáng)LSCM與CMF的協(xié)同催化作用，并優(yōu)化界面氧離子傳輸和電化學(xué)反應(yīng)性能。

　　圖2 LSCM@nano-CMF燃料電極的優(yōu)化及性能：(a)通過(guò)ETUS工藝制備的不同CMF濃度LSCM@nano-CMF電極的SEM圖。(b)在850°C、50%CO₂/50%CO條件下，不同LSCM@nano-CMF電極CO₂電解池的I–V曲線。插圖：SOEC配置示意圖。(c)基于850°CEIS數(shù)據(jù)，不同LSCM@nano-CMF電極的Ro和Rp比較。(d)不同LSCM@nano-CMF電極在850°C的DRT圖。(e)不同LSCM@nano-CMF電極的電化學(xué)行為示意圖。這些電極在0–12.5%CMF時(shí)表現(xiàn)出納米凸起結(jié)構(gòu)，而在≥25%CMF時(shí)表現(xiàn)出高度覆蓋的結(jié)構(gòu)。

　　要點(diǎn)3.電化學(xué)性能和穩(wěn)定性   通過(guò)超聲噴涂制備的優(yōu)化LSCM@nano-CMF燃料電極在SOEC中展現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)球磨法制備的LSCM/CMF復(fù)合電極，LSCM@nano-CMF燃料電極在850°C、1.5V下的CO2電解電流密度高達(dá)3.01Acm-2，遠(yuǎn)超2.56Acm-2。納米催化劑引入顯著增加了活性位點(diǎn)，同時(shí)其鈣鈦礦/螢石界面增強(qiáng)了催化活性。EIS和CO2-TPD分析表明，LSCM@nano-CMF電極在高溫下富氧空位的存在增強(qiáng)了CO2的吸附與解離能力，并在多種CO2/CO比條件下展現(xiàn)優(yōu)異的電解性能。該電極在800°C下以0.5Acm-2電流密度運(yùn)行180小時(shí)，衰減率低至≤0.19mVh-1，且未觀察到碳沉積。此外，在純CO2環(huán)境下，該電極在850°C下實(shí)現(xiàn)了3.89Acm-2的高電流密度，法拉第效率超過(guò)92%。這些結(jié)果表明，LSCM@nano-CMF燃料電極是高效耐久的CO2電解催化劑。

　　圖3 納米凸起LSCM@nano-CMF電極的電化學(xué)性能：(a)帶有LSCM@nano-CMF燃料電極的CO₂電解池的橫截面SEM圖。(b)帶有LSCM@nano-CMF燃料電極的CO₂電解池的電化學(xué)性能。(c)在850°C下，LSCM@nano-CMF、LSCM/CMF復(fù)合電極和LSCM電池的I–V曲線。(d)LSCM@nano-CMF、LSCM/CMF和LSCM電極的Rp溫度依賴性。插圖：850°C下的EIS數(shù)據(jù)。(e)LSCM@nano-CMF和LSCM/CMF復(fù)合電極在850°C下施加偏壓時(shí)的DRT圖。(f)LSCM@nano-CMF和LSCM/CMF復(fù)合電極的DRT圖變化。

　　圖4 SOEC的CO₂電解性能與耐久性：(a)在不同CO₂/CO條件下，使用LSCM@nano-CMF電極進(jìn)行CO₂電解的I-V曲線。(b)在1.5V施加電壓下，電池性能和不同CO₂/CO條件下的Rp。(c)Faradaic效率和(d)使用LSCM@nano-CMF燃料電極在800°C下進(jìn)行CO₂電解的穩(wěn)定性。(e)LSCM@nano-CMF燃料電極在CO₂電解穩(wěn)定性測(cè)試后的拉曼光譜。

　　圖5SOEC的超高CO₂電解性能：(a)使用LSCM@nano-CMF電極在純CO₂條件下進(jìn)行CO₂電解的I-V曲線。(b)在800°C下，LSCM@nano-CMF燃料電極在偏壓條件下的EIS數(shù)據(jù)。(c)使用LSCM@nano-CMF燃料電極在800°C下、純CO₂條件下進(jìn)行CO₂電解的Faradaic效率。