[发明专利]新型CO2和H2O高温共电解的超晶格复合氧电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于CO₂和H₂O高温共电解及固体氧化物电解池技术领域，特别涉及一种新型CO₂和H₂O高温共电解的超晶格复合氧电极及其制备方法。

背景技术

我国中长期科技重大专项200MW第四代高温气冷堆示范电站项目已经启动。在积极发展核电的同时，利用低峰值电力提高核能经济性和拓展核能新利用，是目前世界各国核能研究领域的前沿课题。该技术的原理是开发一种利用核能灵活驱动的固体氧化物电解池（Solid Oxide Electrolysis Cells,SOEC）高温共电解CO₂和H₂O(High Temperature Co-Electrolysis,HTCE）制备清洁燃料和实现峰值发电的技术。期望着眼于：一方面拓展高温核反应堆在发电之外的应用，特别是利用核热驱动高温电解实现大规模制备交通用液态燃料和氢气的储备，减少CO₂排放；另一方面，储存的氢以高温燃料电池模式运行用于发电，可增加高温堆发电输出能力，灵活满足高峰值电力要求。这样的能力有利于将间歇性可再生能源，如风能或者太阳能整合在一起并入电网。

SOEC由于具有较高的电解效率和操作灵活性，在清洁能源基础设施中占有非常突出的地位。然而，工作温度高（＞800℃）会加速电极材料性能退化，并且导致高成本。因此，降低工作温度已经成为目前研究的主要焦点。但是较低的温度（＜700℃）下，氧电极较慢的氧气析出反应动力学成为限制SOEC性能的主要障碍。Co基SOEC氧电极（阳极）材料（如La_1-ySr_yCo_0.2Fe_0.8O_3-δ，LSCF和Ba_1-x Sr_xCo_0.8Fe_0.2O_3-δ，BSCF）相对于传统的La_0.8Sr_0.2MnO_3-δ（LSM）材料在中低温下具有更好的活性；然而其用于SOEC氧电极时，在电解质和电极界面上积累的高氧分压使得氧电极从电解质上脱离，导致电解池性能衰减。因此即使在电池模式下能够稳定运行上千小时，但是在SOEC模式下，它们就暴露出严重的与电解质脱层现象，使电解电压迅速升高，因此有必要开发适应于电解模式下操作的新型氧电极材料及结构。

具有层状钙钛矿类（典型结构K₂NiO₄）材料表现出非常灵活的化学计量比。在高氧分压（PO₂）气氛下，可以将过量的氧填隙到结构中，形成富氧态的K₂NiO_4+δ；同时该种材料也禁得起氧消耗造成的低PO₂气氛，产生贫氧相K₂NiO_4-δ，因此在贫氧和富氧条件下，其组成和结构都非常稳定。同时K₂NiO₄类氧化物也表现出了很高的氧填隙式结合和扩散的各向异性，其氧结合动力学在（ac）平面上比（ab）平面上要快2～3个数量级。因此可在现有的氧电极材料表面复合层状钙钛矿类的材料组成复合氧电极，有望为解决SOEC阳极脱层及衰减问题提供一条新途径。

发明内容

本发明的目的是为解决背景技术中所述的问题，开发一种新型超晶格异质结构的固体氧化物电解池复合阳极，解决SOEC长时间运行阳极脱层问题，提供一种新型CO₂和H₂O高温共电解的超晶格复合氧电极及其制备方法；