封装型Co-Ni合金催化剂实现高温CO2高效电还原

时间：2025年5月15日

来源：Nature

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研究人员针对高温CO2电还原中催化剂活性与稳定性难以兼顾的难题，开发了Sm2O3掺杂CeO2(SDC)封装的Co-Ni合金催化剂。该催化剂在800°C、1A cm-2条件下实现90%能量效率和2,000小时超长寿命，CO选择性达100%。其独特的封装结构和合金组分协同增强CO2吸附并抑制金属团聚，为工业级CO2转化提供了新策略。

在全球碳中和背景下，电化学还原CO₂成为存储可再生能源和实现碳循环的关键技术。然而，现有高温固体氧化物电解池(SOEC)催化剂在800°C以上工作时，普遍面临能量效率低(<70%)和寿命短(<200小时)的双重瓶颈，严重制约其工业化应用。传统催化剂因活性界面有限、金属颗粒团聚或积碳等问题，难以突破活性与稳定性的权衡关系。

为解决这一挑战，瑞士洛桑联邦理工学院Xile Hu团队联合西班牙、丹麦等多国研究人员，设计出一种Sm₂O₃掺杂CeO₂(SDC)封装的Co-Ni合金催化剂(Co_0.5Ni_0.5@SDC)。该成果发表于《Nature》，展示了一种兼具超高效率与超长寿命的高温CO₂电还原催化剂。研究通过溶胶-凝胶法合成封装结构催化剂，结合电解质支撑的电池组装技术，采用电化学测试、原位表征和理论计算相结合的方法，系统揭示了材料结构与性能的构效关系。

CO₂电还原性能

通过筛选不同金属比例的M_xNi_1-x@SDC催化剂，发现Co_0.5Ni_0.5@SDC在800°C下表现出最优性能：1.1V低电压即可实现1A cm^-2的电流密度，分别是非封装复合催化剂和纯Ni催化剂的1.5倍和16.7倍。其单程CO产率达90%，且选择性始终保持100%。

催化剂表征

X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)证实了Co-Ni合金核与SDC壳的封装结构。X射线光电子能谱(XPS)显示金属与SDC间的电荷转移增强，而准原位X射线吸收近边结构(XANES)分析表明Co-Ni合金能抑制金属氧化。稳定性测试后，封装催化剂金属颗粒尺寸仅增长15%，远低于非封装样品的60-100%。

作用机制

电化学阻抗谱(EIS)和弛豫时间分布(DRT)分析表明，封装结构增加了金属-氧化物界面，促进CO₂吸附和氧离子传输。密度泛函理论(DFT)计算揭示了双位点反应机制：CO₂在金属-SDC界面被捕获为碳酸盐，随后在相邻金属位点还原为CO。Co-Ni合金的适度CO吸附能有效抑制积碳反应。

与现有技术的比较

相较于传统SOEC(<200小时寿命，<70%效率)和低温膜电极组件(MEA)电解槽(<100小时寿命，<35%效率)，该催化剂在1A cm^-2下实现2,000小时稳定运行和90%的能量效率，预估可降低60%系统成本。

这项研究通过巧妙的封装结构设计和合金组分优化，成功打破了高温CO₂电还原催化剂活性与稳定性的权衡关系。其创新性体现在：(1)SDC外壳有效抑制金属团聚；(2)Co-Ni合金平衡CO₂吸附与CO脱附；(3)丰富的金属-氧化物界面促进反应动力学。该工作为开发工业级CO₂转化装置提供了关键材料基础，对实现大规模碳中和技术具有重要推动作用。