利用質(zhì)子陶瓷電解池(PCECs)共電解CO2和H2O生產(chǎn)燃料是一種很有前途的有效二氧化碳利用技術(shù)。然而，使用PCECs直接生產(chǎn)碳?xì)淙剂先匀痪哂刑魬?zhàn)性，并且電解過程中CO2加氫的機(jī)制仍不清楚。
基于此，華南理工大學(xué)陳燕和韓國浦項科技大學(xué)Jeongwoo Han等采用一種簡單的滲透方法，成功將氧化鈰(CeO2)選擇性地沉積在Ni-BaCe0.7Zr0.1Y0.1Yb0.1O3-δ (Ni-BZCYYb)燃料電極的BZCYYb表面，并將其用于PCEC中CO2和H2O的共電解。電化學(xué)試驗和生產(chǎn)分析表明，CeO2改性顯著促進(jìn)了二氧化碳加氫生成甲烷：在550°C和1250 mA cm?2電流密度下，CeO2修飾的電解池的甲烷選擇性是原始電解池的3倍。XAS、XPS、TPD和原位DRIFTS光譜表明，CeO2修飾層顯著調(diào)節(jié)了CO2和CO在表面的吸附，促進(jìn)表面C?H的形成，這是甲烷產(chǎn)生的關(guān)鍵反應(yīng)中間體。此外，原位拉曼光譜進(jìn)一步證明，通過電偏壓可以有效地驅(qū)動質(zhì)子到其表面，使其參與CO2的氫化反應(yīng)。密度泛函理論(DFT)計算表明，CeO2表面的CO吸附和質(zhì)子鍵合作用弱于BZCYYb表面，前者導(dǎo)致氫與CO的結(jié)合更強(qiáng)，促進(jìn)CO加氫，后者促進(jìn)質(zhì)子向電極表面后的遷移。這兩種因素都導(dǎo)致CO進(jìn)一步加氫反應(yīng)的能壘更低，使得利用CeO2改性的BZCYYb表面具有更高的甲烷選擇性。綜上，該項工作表明表面工程是利用PCEC調(diào)節(jié)CO2/H2O共電解反應(yīng)路徑的有效途徑，為其他高溫?zé)?、太陽熱和熱電化學(xué)器件的高活性催化劑的設(shè)計提供了思路。Tuning the Product Selectivity of CO2/H2O Co-electrolysis by CeO2-modified Proton-conducting Electrolysis Cells. Energy & Environmental Science, 2023. DOI: 10.1039/D3EE01468A
