固体氧化物电解池一氧化氮电化学还原反应与传递机理研究

The electrochemical reduction of NO to N2 in solid oxide electrolysis cell has the advantages of operating without reducing agents and no secondary pollution, which has extensive application prospect in nitrogen oxides (NOx) treatment. In order to optimize the SOEC cathode (for NO reduction) performance and improve process efficiency, it is essential to understand the electrochemical reduction mechanism of NO within SOEC cathode and process intensification mechanism. In this project, SOEC will be studied in two levels: patterned electrode and tubular unit. In the patterned electrode SOEC study, the electrochemical reactive area is quantitatively manipulated through two-dimensional design of patterned electrode. By means of electrochemical measurements, in-situ Raman spectroscopy characterization and elementary reaction modeling, the electrochemical reduction mechanism of NO on the surface and interface of cathode will be studied in detail to figure out the reaction rate-determining steps, which will guide the electrode design and performance improvement. In the tubular unit study, experimental tests and multi-physics simulation will be combined to study the operating condition optimization technique. The part aims to understand the reaction and transfer process coupling and intensification mechanism with the cathode under different operating conditions, grasp the optimizing strategy of operating conditions, which will lay the theoretical foundation for performance and efficiency improvement and novel configuration development of SOEC.

在固体氧化物电解池(Solid Oxide Electrolysis Cell,SOEC)中将一氧化氮(NO)直接电化学还原成N2，不依赖于还原剂的使用同时不产生二次污染，在大气污染物氮氧化物治理领域具有广阔的应用前景。明确NO电化学还原反应机理以及反应传递过程强化机制对于指导电极材料开发、性能优化以及过程效率提高具有重要意义。本项目拟从图案电极SOEC和管式电池单元两个层面进行研究。图案电极层面，通过条纹图案设计定量调控电化学反应活性面积，采用在线电化学测试与原位拉曼光谱学表征的实验手段结合数值模拟研究NO电化学还原机理，明确速率控制步骤，指导电极开发与性能优化；管式单元层面，结合实验测试与多物理场建模，研究不同操作工况下电极内部反应传递过程耦合强化机制，掌握操作条件优化策略，为电池性能与效率提升以及新型电池构型开发奠定理论基础。

在固体氧化物电解池中将NOx分解为无害气体是实现氮氧化物无害化处理和减排的有效途径。明确NOx电化学反应机理对于专用SOEC电极材料的开发、系统处理性能的优化和分解去除效率的提升等有着重要意义。.本研究以图案电极为重点研究对象，通过几何参数、操作条件参数对图案电极电化学性能与稳定性影响规律研究，开发出条纹图案铂电极以定量调控图案电极电化学活性面积，获得NO电解本征反应动力学参数，揭示SOEC阴极表面的NO与O2之间的协同反应机理，为电解处理NOx的SOEC电极设计与反应器开发提供反应机理。 .将图案电极成果应用于多孔电极层面，通过浸渍烧结的方法制备的多孔纽扣电池单元，结合建立的基元反应机理建模，构建了耦合非均相基元反应、电荷传递以及质量传递等过程的一维电解模型，掌握了电极几何结构参数、操作条件参数和运行工况对NO电解去除率与产物气体组成的影响规律。 .将纽扣电池放大至管式SOEC单元层面，通过等静压的方法开发管式单元反应器及其多物理场模型，掌握可放大的管式SOEC操作工况优化以及研究添加吸附层对于NO电化学性能的影响，明确了SOEC动态特性。 .研究成果为本领域研究者后续深入理解NO电解反应机理以及电解效率的定向调控机制提供了可借鉴的研究方法、基础实验数据以及自主开发的研究工具，可指导SOEC电极结构优化、材料开发以及寿命提升，为SOEC应用于气体污染物处理奠定理论基础。