《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Design-dependent carbon deposition in solid oxide electrolysis cells for CO2 electrolysis: A review
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本文系统分析固体氧化物电解池（SOEC）在CO?电解过程中的碳沉积问题，探讨电极结构、微纳形貌及催化剂支撑材料对碳沉积的影响机制，并提出优化设计策略。研究发现，SOEC的碳沉积程度与气固扩散效率、局部温度梯度及电极活性位点分布密切相关，通过调整管状/平面结构、优化电极孔隙率及引入碳阻隔层可显著提升系统稳定性。摘要重点总结了不同设计参数与碳沉积的关联性，为开发高效耐碳沉积的SOEC提供了理论依据。
Noratiqah Sazelee|Chan Zhi Yang|Nurul Nabila Rosman|Nurul Jannah Ismail|Filzah Hazirah Jaffar|Mohd Hafiz Dzarfan Othman|Masniroszaime M. Zain|Wan Nurul Ffazida Wan Mustapa|Farahdila Kadirkhan|Kang Li|Jerry Y. Y. Heng
马来西亚理工大学（UTM）化学与能源工程学院，先进膜技术研究中心（AMTEC），81310，柔佛州新山，马来西亚
摘要
固体氧化物电解池（SOEC）通过高温电解为将二氧化碳（CO2）转化为高附加值产品（如一氧化碳（CO）和合成气）提供了一条有前景的途径。然而，基于镍的阴极上的碳沉积仍然是一个主要的退化问题，这限制了SOEC的长期性能和稳定性，尤其是在二氧化碳电解过程中。本文深入探讨了电池设计参数（包括电池配置和电极结构）如何影响碳沉积的严重程度。特别关注了不同的微观结构和几何配置如何影响气体扩散、电化学活性以及局部温度梯度，所有这些因素都会导致碳的积累。同时，还讨论了平面设计与管状设计的比较分析，以及催化剂支撑材料（如氧化铈）的作用。此外，本文概述了当前的诊断工具和缓解策略，如表面改性和操作条件优化。通过强调设计特征与碳相关退化之间的相互依赖性，本文为优化SOEC配置以实现更稳健和可持续的二氧化碳电解提供了见解。研究结果强调了需要综合设计策略，以平衡性能、耐用性和抗碳沉积能力。
引言
实现碳中和需要一种平衡的战略，该战略在整合碳捕获、利用和储存（CCUS）技术的同时确保能源安全[[1], [2], [3]]。在这个框架下，对捕获的二氧化碳的“利用”越来越受到重视，作为一种可扩展的机制，将排放物回收为高附加值产品，从而有效地实现循环碳经济。这一利用策略的核心是二氧化碳的电化学还原，该过程利用可再生电力打破二氧化碳分子的稳定键，并将其转化为高能量密度的燃料或化学原料。迄今为止，研究已经分为两种主要的热工制度来实现这种转化。第一种是低温电解，操作温度在20°C至200°C之间，通常使用碱性或质子交换膜[4,5]；第二种是高温电解，使用固体氧化物电解池（SOEC），操作温度范围在600°C至1000°C之间[6,7]。低温二氧化碳电解过程较为简单，操作成本较低，但受到电流密度低、转化效率低和可扩展性差的限制。根据Vos等人的综述[8]，低温二氧化碳电解被认为是一项成熟的技术。然而，必须根据最近的建模进展重新评估其性能，并在包含原料预处理、产品分离和资源回收的更综合系统中对其进行评估，以超越初步的概念设计阶段。此外，Ahmad Kamaroddin的先前研究[9]指出，碱性电解系统的缺点包括二氧化碳转化率低（小于400 mA/cm2）、操作压力范围小和能源效率低。Nnabuife及其同事[10]报告称，质子交换膜的成本略高于碱性水电解膜。事实上，在保持高效率的同时降低制造成本是质子交换膜领域的一个紧迫问题。
SOEC提供了一种比低温电解技术更节能的替代方案，因为它们可以在高温下进行电解，从而实现更高的二氧化碳转化率（>99%），并且不依赖于昂贵的贵金属电极[11]。这项技术可以在较高温度下运行，从而以更高的效率生产有价值的化学品。值得注意的是，使用SOEC同时电解二氧化碳（CO2）和水（H2O）被广泛认为是将二氧化碳转化为碳氢燃料的先进方法，从而支持可再生能源行业的发展。SOEC可以在高温下同时电解二氧化碳和水，直接在阴极生成合成气。然后，生成的二氧化碳或合成气可以通过已建立的热化学过程（如费托合成、甲醇生产或更高碳氢化合物合成）催化转化为碳氢化合物。反应机制如下：
阴极反应（共电解）：CO2 + H2O + 4e? → CO + H2 + 2O2?
阳极反应：2O2? → O2 + 4e?
总反应：CO2 + H2O → CO + H2 + O2
随后，合成气可以送入下游催化反应器中，通过以下化学反应生成碳氢化合物：
费托合成：(2n+1)H2 + nCO → CnH2n+2 + nH2O
甲醇合成：CO + 2H2 → CH3OH
SOEC的最大优势在于其较高的操作温度，这带来了更好的动力学和热力学性能，以及比碱性和质子交换膜电解器更低的欧姆损耗[9]。由于其更快的反应速率，SOEC在高温二氧化碳电解中也起着关键作用，这可以降低操作电压（1.2至1.4 V）[12]。由于操作电压较低，SOEC在产生氢气时消耗的能量也更少。由于电价占电解生产氢气成本的最大部分，SOEC的热力学优势立即转化为经济优势，体现在单位氢气生产成本更低。根据Küngas的研究[13]，固体氧化物电解器在二氧化碳生产方面的能耗远低于低温系统（约2.5–3.4 kWh Nm?3 vs 约7–35 kWh Nm?3），尤其是在高电流密度下。这种优越的效率部分归因于能够将废热整合到过程中，而低温电解器则需要更多的电能和冷却能力。此外，高温运行的SOEC不仅可以充分利用工业废热，还可以利用电化学反应将二氧化碳转化为碳氢燃料或高价值化学品[14]。这使得二氧化碳得到高效利用，并且可以实现可再生能源的大规模储存。
鉴于SOEC的这些优势，当前关于二氧化碳电解的研究越来越多地致力于克服实际限制，以实现高效和持久的运行。虽然这些工作提供了关于SOEC基本原理和性能的宝贵概述，但很少有研究关注二氧化碳电解过程中的碳还原和碳相关退化这一关键问题。大多数现有调查广泛讨论了二氧化碳的转化，但没有系统地探讨电池配置、电极结构和微观结构设计如何影响碳沉积或碳去除途径。本文旨在批判性地评估SOEC设计参数（包括电池配置、电极微观结构和催化剂支撑）如何影响二氧化碳电解过程中的碳沉积。此外，本文还整合并分析了当前用于碳相关退化的先进诊断工具和缓解策略。最后，本文还分析了知识空白，并提出了基于设计的方法来提高SOEC的耐用性和性能。根据图1中概述的框架，本文的叙述可以详细阐述从化学基础到抗碳系统的实际工程的逻辑进展。据我们所知，目前还没有研究针对SOEC中二氧化碳电解的设计依赖性碳沉积问题进行过研究。
章节摘录
SOEC的工作原理
氧离子导电型SOEC（O-SOEC）是一种电化学装置，由致密陶瓷电解质组成，这种电解质夹在多孔燃料电极（阴极）和空气电极（阳极）之间。根据操作条件，O-SOEC通常分为两类：高温系统和中等温度系统。高温SOEC通常使用YSZ作为电解质，在800–1000°C下运行；而中等温度SOEC则经常使用
评估Ni-YSZ作为二氧化碳电解的基准材料
作为商业上成熟的SOEC基准材料，Ni/YSZ陶瓷燃料电极因其高电子导电性、催化活性和成熟的可扩展性而受到青睐。尽管在二氧化碳电解研究中得到广泛应用，但它们在长期测试中的退化率通常为每1000小时0.5–3%。这种耐用性对操作温度和电流密度非常敏感；特别是富含二氧化碳或以二氧化碳为主的环境会加速退化
气体成分调节
适当控制进料气体成分，特别是H2O、CO2和CH4的相对比例，对于防止SOEC中的碳沉积至关重要。许多研究表明，提高氧化剂含量（H2O和/或CO2）可以有效抑制结焦，促进碳的气化并减少Ni活性位点上的局部碳积累。例如，Welandar等人[131]利用原位振动拉曼光谱显示，在Ni浸渍的Sr0.94Ti0.9Nb0.1O3电极中加入CGO可以
挑战与未来方向
在二氧化碳电解过程中，SOEC中最主要的退化过程仍然是碳沉积，尤其是在使用基于镍的燃料电极的系统中。碳沉积的起始和严重程度直接受到设计依赖因素的影响，如气体传输路径、电极结构、材料成分和微观结构。一个重大障碍是由于气体扩散不足和电流分布不均导致的局部碳积累
结论
在SOEC中，设计依赖性的碳沉积仍然是影响二氧化碳电解长期稳定性和性能的关键障碍。本文系统地研究了电池设计、电极/电解质微观结构和制造方法对碳形成的相互作用，强调了电池配置（平面 vs. 管状）、流场设计、电极孔隙率、迂曲度、表面积和催化剂分布等因素如何决定碳的积累空间分布。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
Mohd Hafiz Dzarfan Othman报告称获得了马来西亚理工大学的财政支持。Mohd Hafiz Dzarfan Othman报告获得了PETRONAS Research Sdn Bhd的财政支持。Mohd Hafiz Dzarfan Othman与马来西亚理工大学存在关系，包括就业和资金资助。
致谢
作者感谢马来西亚理工大学在杰出研究基金（基金编号：R.J130000.7709.4J807）下的资助，以及PETRONAS Research Sdn. Bhd.在合同研究（基金编号：R.J130000.7609.4C835）下的资助。
