《圖案電極CO2/H2O共電解製取合成氣及甲烷反應機理研究》是依託清華大學，由蔡寧生擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：圖案電極CO2/H2O共電解製取合成氣及甲烷反應機理研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：蔡寧生
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在固體氧化物電解池中將CO2轉化為合成氣和烴類燃料可望成為同時實現CO2減排、資源化利用和可再生能源電力儲存的有效途徑。明確H2O及CO2電化學還原反應機理，對於SOEC電極開發、性能最佳化以及合成氣產品調控具有重要意義。本項目擬以圖案電極SOEC為研究對象，通過電極二維幾何結構的設計實現對電化學反應活性面積的定量調控，研究電極幾何結構參數、操作條件參數對CO2/H2O共電解反應性能、反應速率控制步驟及產物氣體組成的影響規律。綜合考慮電極微觀結構、電荷轉移反應、吸附/解吸附多相基元反應及表面擴散過程，建立基元反應機理模型。開發並最佳化基於基元反應機理模型的極化曲線/電化學阻抗譜合成算法。明確Ni電極表面CO2/H2O共電解製取合成氣及CH4反應機理，建立產物定向調控機制，掌握SOEC運行工況對CO2/H2O共電解積碳程度與積碳形態的影響規律,為SOEC性能最佳化及新型電極材料開發奠定理論基礎。
結題摘要
固體氧化物電解池(SOEC)CO2/H2O共電解可同步實現合成氣和烴類燃料製取、CO2資源化利用以及可再生能源電力儲存。明確H2O及CO2電化學還原反應機理，對於SOEC 電極開發、性能最佳化以及合成氣產品調控具有重要意義。本研究以圖案電極為重點研究對象，通過幾何參數、操作條件參數對圖案電極電化學性能與穩定性影響規律研究，掌握了圖案電極電化學活性面積定量調控方法和製備工藝，獲得CO2/H2O共電解本徵反應動力學參數，揭示SOEC陰極表面的共電解反應及積碳機理，為SOEC電極設計與反應器開發提供反應機理。將圖案電極成果套用於多孔電極層面，通過多孔紐扣電池實驗測試以及基元反應機理建模，掌握了電極幾何結構參數、操作條件參數對電解反應速率、積碳特性與產物氣體組成的影響規律，提出了積碳抑制方法，明確了CO2/H2O 共電解生成合成氣及CH4的反應特性，揭示了多孔電極化學/電化學反應耦合機制，建立了陰極非均相化學/電化學分區理論。將紐扣電池放大至管式SOEC單元層面，通過開發管式單元反應器及其多物理場模型，掌握可放大的管式SOEC操作工況最佳化以及合成氣/CH4產物定向調控方法，明確了SOEC動態特性及其動態反應/傳遞強化機制。研究成果為本領域研究者後續深入理解CO2/H2O共電解反應機理以及產物定向調控機制提供了可借鑑的研究方法、基礎實驗數據以及自主開發的研究工具，可指導SOEC電極結構最佳化、材料開發以及壽命提升，為面向可再生能源儲能的SOEC電極設計、操作條件最佳化奠定理論基礎。
