電熱催化：多場耦合下的高效催化技術

 固體氧化物電解池（SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell） 是一種高溫電解技術，利用固體氧化物電解質（如氧化釔穩定的氧化鋯，YSZ）在700–1000℃下高效分解水或二氧化碳，生成氫氣（H?）或合成氣（H?+CO），電熱催化（Electrothermal Catalysis）則通過引入外部電場或電流，增強催化劑表面的焦耳熱效應和非熱電子效應，進一步降低反應活化能，提升反應速率和選擇性。在能源轉化、環境治理及化工合成中展現出革命性潛，SOEC電熱催化是將兩者結合的技術，利用SOEC的高溫環境與電熱催化的協同作用，突破傳統電解的能效瓶頸。

一．技術背景與定義

（1）傳統催化的局限性

熱催化：依賴外部加熱，能量利用率低（<40%），高溫反應條件導致催化劑易失活，且反應速率受限于熱傳導效率。

電催化：適用于低溫反應（如水電解、燃料電池），但對高溫吸熱反應（如甲烷重整、CO?加氫）效率不足，且強電流可能導致催化劑燒結或副反應加劇。

（2）電熱催化的核心概念

電熱催化通過施加電場或電流，在催化劑表面同時產生焦耳熱效應（局部高溫）和非熱電子效應（電子結構調控），實現反應動力學與選擇性的協同優化。

焦耳熱效應：電流通過導電催化劑產生熱量形成微區高溫（100–1000℃），加速吸熱反應。

非熱電子效應：強電場激發高能電子，優化吸附能（如*CO、*OH），甚至直接參與反應（如O?解離）。

協同優勢：熱效應降低熱力學勢壘，電子效應調控動力學路徑，實現“1+1>2"的催化性能提升。

二．核心原理與機制

（1） 焦耳熱效應

局部高溫場：電流通過催化劑產生熱量，形成溫度梯度（熱點效應）。

動態響應：毫秒級升溫速率（>1000℃/s），優于傳統加熱（~10℃/min），適用于快速啟動和動態調控。

應用場景：加速吸熱反應（如甲烷重整、CO?加氫）并抑制副反應（如積碳）。

（2）非熱電子效應

d帶中心調控：電場改變催化劑表面電子結構，優化中間體吸附能（如*CO、*OH）。

熱電子發射：強電場激發高能電子，直接參與斷鍵（如O?解離為O*）。

（3） 協同作用

熱-電耦合：焦耳熱降低熱力學勢壘，非熱電子調控動力學路徑。

實例：Ni/CeO?電熱催化劑在700℃下CH?轉化率>95%，碳沉積量減少80%（傳統需900℃）。

三. SOEC電熱催化的優勢

（1）高效能：焦耳熱效應降低反應過電位，電解效率比傳統SOEC提升20–50%。熱能與電能協同，系統整體能效接近60%（傳統PEM電解槽<40%）。

（2）寬溫域操作：700–1000℃高溫兼容CO?和CH?重整反應，實現“電-熱-化"多能耦合。

（3）高選擇性：非熱電子效應優化中間體吸附，提升CO?制CO或甲烷的選擇性。

（4）抗積碳：電場抑制C* + H?O → CH? + OH?（析碳反應），提高穩定性。

四. 應用場景

(1) 綠色制氫**

SOEC電熱催化水電解：在800℃下，電流密度達2 A/cm2，過電位<1 V，法拉第效率>95%。

優勢：高溫降低電能需求，熱能與電能協同提升能效。

(2) CO?資源化利用

CO?電解制CO：SOEC電熱催化CO?RR在750℃下，CO選擇性達90%，法拉第效率>85%。

應用：合成甲醇、甲酸等化學品。

CO?加氫制甲烷：電熱催化Ni-YSZ電極在850℃下，CH?產率提升3倍，碳沉積減少80%。

(3) 甲烷重整與制氫

SOEC電熱催化甲烷重整：電場輔助CH? + H?O → CO + 3H?，700℃下轉化率>95%，碳沉積抑制率>90%。

優勢：高溫下反應速率快，無需額外催化劑再生。

(4) 氨合成（NRR）

SOEC電熱催化氮還原：在800℃下，Ru基電熱催化劑法拉第效率達20%，突破傳統低溫NRR的效率瓶頸。

五．技術挑戰與突破方向

1. 當前瓶頸

能量效率低：焦耳熱損耗導致系統能效<50%；

催化劑失活：高溫/電場下燒結、積碳（如Ni基催化劑）；

規模化難題：電極電流分布不均，反應器設計復雜。

2. 創新解決方案

（1）低能耗設計：寬禁帶半導體（如β-Ga?O?）替代金屬，焦耳熱損耗減少30%；

脈沖電流技術：間歇性加熱，能耗降低50%。

（2）穩定性提升：

ALD保護層：Al?O?包覆Ni顆粒，壽命延長至10,000小時；

自修復電解質：CeO?基材料在高溫下動態修復氧空位。

（3）智能化系統：數字孿生模型：實時優化電流密度與熱場分布；

AI篩選催化劑：機器學習預測Fe-Co-Ni三元合金性能。

六．總結

      SOEC電熱催化技術是通過高溫與電場的協同作用，突破了傳統電解的能效與選擇性瓶頸，在綠氫制備、CO?資源化、甲烷重整等領域展現出巨大潛力。未來需聚焦低成本材料開發、系統集成優化和多能耦合創新，推動其從實驗室走向工業化應用。

產品展示

      SSC-SOEC80電熱協同催化劑評價系統是一種結合電場和熱場協同作用的固體氧化物電解池（SOEC）實驗平臺，用于高效電解H?O/CO?制取H?/CO，是SOFC的逆向反應。該系統通過精確控制溫度、電壓和氣體組成，研究電熱耦合效應對電解性能的影響，并優化催化劑材料和操作參數。本SOEC評價系統設計科學、功能全面，能夠滿足從材料研究到系統集成的多種測試需求。通過高精度控制和多功能測試模塊，可為SOEC的性能優化與商業化應用提供可靠的數據支持。

      光電熱多場耦合的催化在環境治理（如高效降解污染物）、能源轉換（如CO2還原、水分解）和化工合成中有潛力。例如，在CO2還原中，光提供激發能，電幫助電子傳遞，熱促進反應物活化，三者結合可能提高產物選擇性和反應速率；光熱耦合電合成氨。光電熱催化代表了多能量場協同催化的前沿方向，未來將在綠色化學和碳中和領域發揮重要作用。

SOEC系統優勢：

1、研究電熱協同作用對SOEC電解效率的影響，優化催化劑材料和操作參數（溫度、電壓）。

2、比較不同催化劑（如Ni-YSZ與摻雜Ce/Co的催化劑）在電解H?O/CO?中的性能。

3、探究溫度（600–800°C）和電壓（0.5–2V）對電流密度、法拉第效率及穩定性的影響。

4、分析電化學阻抗譜（EIS）以揭示反應動力學機制。

5、通過溫度-電壓協同調控、多尺度表征及長期穩定性測試，系統揭示電熱催化在SOEC中的作用機制。

6、引入原位高溫拉曼光譜，實時追蹤催化劑動態行為。

7、 “熱-電協同因子"量化電熱耦合效應強度。

8、為高效電解CO?制合成氣（H?/CO）或綠氫提供實驗與理論依據。