Festoxid-Elektrolysezellen (SOECs) bieten eine praktische Lösung für die direkte Umwandlung von CO2 in Chemikalien; Ein tiefgreifendes mechanistisches Verständnis der dynamischen Rekonstruktion aktiver Zentren für Perowskit-Kathoden während der CO2-Elektrolyse bleibt jedoch eine große Herausforderung.
In einer von Dr. Houfu Lv, Prof. Guoxiong Wang und Prof ) Perowskit zeigt ein dynamisches elektrochemisches Rekonstruktionsmerkmal während der CO2-Elektrolyse mit reichlicher Freisetzung hochdisperser IrFe-Legierungsnanopartikel (NPs) auf der SFIrM-Oberfläche, die mithilfe von elektrochemischer In-situ-Röntgenbeugung (XRD) und Röntgenaufnahmen nahe Umgebungsdruck gut untersucht werden kann. Strahlenphotoelektronenspektroskopie (NAP-XPS) und Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS).
Während des elektrochemischen Rekonstruktions- und Aktivierungsprozesses im Konstantspannungsmodus bei 1,0 V für ca. 4.000 s stieg die Stromdichte allmählich an und näherte sich schließlich einem stationären Zustand.
Die herausgelösten IrFe-Legierungs-NPs weisen eine hohe Dispersion mit einem durchschnittlichen Durchmesser von ~1,0 nm und einer Dichte über 80.000 μm-2 auf der SFIrM-Oberfläche auf. Darüber hinaus wurde die Aktivierungszeit mit zunehmender angelegter Spannung schnell verkürzt (konstante Spannung: 1,2 V, Aktivierungszeit: innerhalb von 250 s), bei ähnlicher Partikelgröße und Dichte der herausgelösten Metall-NPs während der CO2-Elektrolyse.
Darüber hinaus wurden In-situ-NAP-XPS-Messungen eingesetzt, um ihren katalytischen Prozess während der CO2-Elektrolyse zu überwachen und den intrinsischen Reaktionsmechanismus aufzudecken. Bei Anwendung der elektrochemischen Polarisation erschien ein breiterer Peak bei ca. 290 eV in den C 1s-Spektren, was auf Carbonatspezies zurückgeführt werden konnte und höchstwahrscheinlich für die CO2-Elektrolyse entscheidend war.
Die Peakfläche der Carbonatspezies auf der Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ (SFM)-Kathode war schwächer als die auf der SFIrM-Kathode. Das verstärkte Signal der Carbonat-Zwischenspezies bestätigte, dass die in situ rekonstruierten IrFe@SFIrM-Grenzflächen die CO2-Adsorption und -Aktivierung erleichterten. Daher wurden IrFe@SFIrM-Grenzflächen als katalytisch aktive Stellen vorgeschlagen, die eine höhere CO2-Elektrolyseleistung als SFM ermöglichen.
Die zunächst herausgelösten IrFe-Legierungs-NPs konnten durch eine kurze Oxidationsbehandlung an Luft ausreichend in kleinere Nanocluster redispergiert werden. IrFe-Legierungs-NPs wurden regeneriert, als die angelegte Spannung erneut eingeschaltet wurde, und das Erscheinungsbild des mittleren Carbonatpeaks konnte weiter erhalten werden. Die Strategie der oxidativen Redispergierung könnte die Stabilität effizient verbessern, indem sie die Partikelaggregation verzögert.
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht National Science Review.
Mehr Informationen:
Yuxiang Shen et al., In-situ-elektrochemische Rekonstruktion der Sr2Fe1,45Ir0,05Mo0,5O6-δ-Perowskit-Kathode für die CO2-Elektrolyse in Festoxid-Elektrolysezellen, National Science Review (2023). DOI: 10.1093/nsr/nwad078