清华大学于波课题组Adv. Energy Mater.：新型纳微通道结构固体氧化物电解池实现5 A cm-2以上超高电流密度电解制氢

【导读】

固体氧化物电解池（SOEC）是一种极具应用前景的能源转化装置。其中，高温电解水制氢是SOEC的一个重要应用场景。SOEC电解电流密度与制氢能力直接相关，提高电流密度有助于提升装置产能，可有效降低电解装置固定投资成本，对推进SOEC技术的工业化进程具有重要意义。然而，现有的SOEC多孔阳极存在着孔隙率低、孔道不规则等结构缺陷，当运行电流密度超过2 A/cm²时，电解池内部物质传输和电荷传输量激增，由此会带来局部高压、高应力、局部过热等破坏效应，并诱发阳极-电解质界面发生脱层，使电解池整体性能迅速衰减。通过对电极结构进行调控和优化，实现高温水蒸气在大电流密度下的高效电解转化，是目前国际研究的热点和难点。

【成果掠影】

近日，清华大学于波课题组在国际能源期刊Advanced Energy Materials上发表了题为“A Novel Solid Oxide Electrolysis Cell with Micro-/nano Channel Anode for Electrolysis at Ultra-high Current Density over 5 A cm^-2”的研究论文。研究人员成功制备出一种新型纳微通道结构固体氧化物电解池，并实现了在高温、超高电流密度苛刻条件下的稳定运行。经由扫描电镜（SEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、纳米三维计算机断层扫描（nano-CT）等测试手段表征后，研究人员发现，该电解池的纳微通道阳极具有高度定向的孔道（曲折因子~1）、极高的孔隙率（~58%）以及超高的孔道连通性（连通孔所占的比例为99%）。结合X射线光电子能谱（XPS）、COMSOL数值仿真等手段进行机理分析，研究人员发现，上述结构特征有助于纳微通道阳极实现快速的氧气生成和扩散动力学。电化学性能测试结果表明，该纳微通道结构SOEC具有极高的电化学活性（800 ℃下极化阻抗仅为0.135 Ω cm²），在1.3 V的电解电位下，电流密度即可达到5.96 A cm^-2，对应的产氢速率高达2.5 L h⁻¹ cm⁻²。这是目前报道中SOEC高温电解制氢所能达到的最大稳定运行电流密度。未来，该新型纳微通道结构固体氧化物电解池有望实现大规模的电解制氢工业化应用。

【数据概况】

图1：新型纳微通道阳极固体氧化物电解池结构示意图

图2：纳微通道阳极形貌表征测试结果

图3：纳微通道电解池电化学性能测试结果

图4：纳微通道阳极XPS表征结果

图5：纳微通道阳极的纳米三维计算机断层扫描表征结果

图6：不同结构阳极在大电流密度下电解时的内部流场分布模拟结果

【成果启示】

大电流密度运行过程中氧电极/电解质界面脱层和衰减是限制SOEC规模化高效制氢的瓶颈问题。本工作成功制备出一种同时具有高度定向的孔道（曲折因子~1）、极高的孔隙率（~58%）以及超高的孔道连通性（连通孔所占的比例为99%）的新型纳微通道阳极固体氧化物电解池。上述结构特征，有助于纳微通道阳极实现快速的氧气生成和扩散动力学。电化学测试结果表明，在800 ℃和1.3 V电解电位下，该新构型SOEC电解电流密度可高达5.96 A cm^-2，这是目前报道中SOEC高温电解制氢稳定运行所能达到的最大电流密度。该项研究成果可为SOEC大规模电解水制氢高效能源存储和转化技术开发提供基础数据和理论支持，有利于推动氢能源化学科学相关研究的发展。

原文链接

https://doi.org/10.1002/aenm.202200899

本论文通讯作者为清华大学于波副教授，第一作者为清华大学博士研究生曹军文，中石化（北京）化工研究院有限公司李一枫博士及滑铁卢大学郑云博士为共同第一作者。

通讯作者简介

于波，清华大学副教授，博士生导师。2004年获清华大学博士学位，2012年麻省理工学院（MIT）访问学者。在Chemical Society Reviews、Energy & Environmental Science、Advanced Energy Materials、Nano Energy等高水平期刊发表学术论文约150篇（其中第一/通讯SCI收录66篇），授权发明专利50余项，撰写英文著作3部。作为课题负责人主持国家科技重大专项高温堆制氢子课题、清华-剑桥大学-麻省理工学院国际低碳联盟项目、国家自然科学基金（青年、面上、重大研究计划）、前沿探索项目、教育部新教师专项基金等。曾担任国际期刊Energy Technology and Policy副主编、国际氢能协会核能制氢分会理事、中国硅酸盐学会溶胶凝胶分会理事，是目前20多家SCI收录杂志审稿人，多次担任国际学术会议分会主席并做特邀报告。