Przygotowano serię elektrolizerów tlenkowych (SOEC), modyfikowaną niewielką ilością kobaltu (1,8; 3,6 i 5,4 %mas. w stanie zredukowanym). Posłużyły one do zbadania synergii pomiędzy metalami przejściowymi, która jest wykorzystywana dla zwiększenia aktywności elektrochemicznej oraz chemicznej materiałów katalitycznych.

Pełna charakterystyka materiału, obejmująca obrazowanie STXM, pozwoliła na lepsze zrozumienie oddziaływań pomiędzy Ni oraz wprowadzonym Co, prowadząc do wyjaśnienia przyczyn zwiększonej aktywności elektrochemicznej przy koelektrolizie CO₂/H₂O. Badanie to pozwoliło także poznać złożoność podstruktur powstałych w obrębie elektrody. Badania wydajności wskazały na duży wkład zarówno rWGS jak i bezpośredniej elektrolizy CO₂ w procesie elektroredukcji.

Modyfikacje prowadzone na elektrolizerach tlenkowych (SOEC) polegały na wprowadzeniu niewielkich ilości kobaltu do objętości cermetu Ni-YSZ metodą mokrej impregnacji. Dzięki obrazowaniu STXM połączonemu z pomiarami XAS zaobserwowano, że wprowadzony kobalt utworzył trzy rodzaje podstruktur tlenkowych, a mianowicie: nanocząstki CoxOy wsparte na powierzchni 8YSZ, mieszany związek Ni-Co o strukturze zbliżonej do spinelu znajdujący się na styku rdzenia złożonego z metalicznego Ni i warstwy zewnętrznej oraz nanocząstki CoxOy zawieszone w powstałym tlenku mieszanym (Fig. 1.). Wyniki XPS wskazały, że Co indukował tworzenie się dużej ilości aktywnych miejsc katalitycznych poprzez tworzenie się par Ni³⁺/Ni²⁺ i Co³⁺/Co²⁺, na których wydajniej zachodziły reakcje chemiczne. Przeprowadzone modyfikacje zwiększyły ponad 2,5-krotnie stężenie CH₄ w strumieniu wylotowym oraz zapewniły lepszą wydajność koelektrolizy H₂O/CO₂ (Fig. 2). Aby wyjaśnić możliwe przyczyny tego wzrostu, przeprowadzono pomiary XAS na linii PIRX oraz STXM na linii DEMETER, które udowodniły obecność znacznej ilości mieszanego związku Ni-Co o strukturze odwróconego spinelu. Jego istnienie spowodowało zmiany w paśmie Ef oraz wprowadziło znaczną ilość centrów aktywnych na powierzchni elektrody. Pomiary za pomocą STXM ujawniły gradientową strukturę typu core-shell ziaren Ni pokrytych związkami Co. Dodatek drugiego metalu przejściowego do konwencjonalnego materiału cermetowego Ni-YSZ zaowocował obiecującymi wynikami w obszarze koelektrolizy H₂O/CO₂ z jednoczesnym procesem metanizacji. Może się to okazać ważne dla budowy zaawansowanych systemów konwersji zielonej energii.

Fig.1. Obrazy STXM przygotowanej próbki impregnowanej kobaltem (3,6 %mas.) z odpowiadającymi im mapami rozkładu pierwiastków Ni i Co. Przedstawiono także złożenie map Ni i Co.

Fig.2. Stężenie CH₄ w strumieniu wylotowym przy OCV (A) i 1,3 V (B). Stężenie równowagowe zaznaczone jako linia przerywana. (C) Gęstość prądu przy 1,3 V w zależności od temperatury. Linie przerywane pomiędzy punktami pomiarowymi wprowadzono dla prezentacji ogólnego trendu.

Cała publikacja dostępna poniżej:

P. Blaszczak, M. Zajac, A. Ducka, K. Matlak, B. Wolanin, S. F. Wang, A. Mandziak, B. Bochentyn, and P. Jasinski, High-Temperature Co-Electrolysis of CO2/H2O and Direct Methanation over Co-Impregnated SOEC. Bimetallic Synergy between Co and Ni, Int J Hydrogen Energy 47, 35017 (2022). doi:10.1016/j.ijhydene.2022.08.057