二氧化碳作为全球温室气体排放的主要成分，其高效利用和转化对于实现碳中和目标显得尤为关键。电化学还原二氧化碳为一氧化碳等化学品，不仅能够降低碳排放，还能构建循环经济的基础。当前，低温电还原技术虽取得一定成果，但因能效和催化剂寿命受限，难以满足工业规模的需求。相比之下，高温电还原技术，特别是在固体氧化物电解池（SOEC）中的应用，以其高能效和无碳酸盐副反应优势，引起了科研界和产业界的广泛关注。最近一项突破性的研究成果表明，包覆的钴镍（Co–Ni）合金催化剂大幅提升了高温二氧化碳电还原的性能，实现了前所未有的能效和稳定性，为高温CO2电还原领域注入了强劲动力。详细揭秘这项技术的原理、性能表现及潜在影响，不仅能够深化公众对碳循环技术的认知，也为相关产业发展指明了方向。
二氧化碳电还原的高温优势及挑战不可忽视。相较于传统低温（低于100℃）电还原系统，高温SOEC利用纯CO2作为反应物，避免了水和氢气源的复杂参与，极大提升了系统的碳选择性与效率。然而，现有催化剂在高温环境下易出现金属团聚、活性位点减少以及碳沉积等问题，导致能量效率常不足70%，催化剂寿命也往往低于数百小时，难以适应工业应用的高电流密度条件（如1A/cm2及以上）。这一瓶颈亟需通过催化剂结构与组成的创新来突破。 针对这一难题，研究团队创新设计了钴镍合金催化剂，并采用掺铥钆（Sm2O3掺杂的CeO2，简称SDC）作为包覆材料，将活性合金纳米颗粒封装其内。这种包覆结构不仅有效阻止金属粒子的团聚和氧化，还优化了金属与氧化物界面的电子和几何结构，增强了催化活性。
多种非贵金属与镍形成的合金被系统筛选，其中钴与镍摩尔比为1:1的Co0.5Ni0.5@SDC，表现最佳。在800℃高温条件下，该催化剂在1 A/cm2电流密度下达到了90%的能效，单程一氧化碳产率高达90%，并能保持超过2000小时的稳定工作，远超同期其他材料。 Co0.5Ni0.5@SDC催化剂的卓越性能来自于多方面的协同作用。首先，均匀分布的Co–Ni合金核心赋予了适中的CO吸附能力，既保证了CO2的有效活化，又防止了过强吸附导致的催化位点堵塞或碳积累。其次，SDC外壳的高氧离子导电性不仅促进了电荷转移，还增强了金属与氧化物界面的活性位点形成。再者，包覆结构为催化剂提供了物理屏障，避免了高温下金属颗粒的烧结和集合，从而显著提升了催化剂的使用寿命。
此外，实验数据显示，未包覆合金或单一金属催化剂虽具备一定活性但稳定性较低，且易发生碳沉积，导致性能迅速衰退。 系统性能的验证通过多种手段完成。基于固体氧化物电解池结构，催化剂被组装入阴极层，并采用La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3−δ（LSGM）作为电解质，La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ（LSCF）作为阳极。在800℃操作条件下，电池电压仅约1.1伏特即可实现1 A/cm2的电流密度，远低于其他市售催化系统，意味着更低的能源消耗。气相色谱分析确认了近乎100%的法拉第选择性产出一氧化碳。稳定性测试在连续运行2000小时后，电压几乎无显著增加，显示极佳的稳定性和抗碳积聚能力。
材料结构和机理研究揭示了性能提升的本质。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）结合元素分布映射，确认钴和镍均匀合金化并被SDC包裹在颗粒核心，结构紧密且界面丰富。X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收近边结构（XANES）分析表明，氧化物与合金之间存在显著电子转移，优化了催化剂表面的催化环境。电化学阻抗谱（EIS）和弛豫时间分布（DRT）分析显示该催化剂在CO2的吸附及活化过程中的极小极化阻力，且对中间产物CO的结合力适中，避免了副反应的发生。计算模拟方面，密度泛函理论（DFT）证实了CO2主要在金属-氧化物界面形成碳酸盐中间体，随即被合金表面催化还原为CO，体现出双位点催化机理，有效地平衡了吸附和脱附动力学，促进催化反应的顺利进行。 经济层面，基于催化剂的卓越性能和较长寿命，估算该高温SOEC系统在电能消耗、设备维护成本以及整体反应效率上均显著优于传统SOEC和低温膜电极组件（MEA）。
在未来电价下降和可再生能源普及的情景下，利用该催化剂的电解水煤气化联动和碳捕获利用系统预计可实现60%至80%的成本降低，具有广泛的工业化应用前景。 此外，包覆技术的成功与否在于材料选择的科学性。SDC作为包覆材料展现了优异的氧离子传导能力和热稳定性，且与Co–Ni合金之间具备良好的界面兼容性，促成高效的电子-离子协同传输。这一策略有效破解了高温环境下催化剂的烧结和碳沉积难题，为设计下一代高性能电催化体系开辟了新路径。筹划进一步应用还包括调控合金组分和包覆层厚度、开发其他掺杂氧化物包覆材料，以及拓展至多电子还原产物的电催化研究。 综上所述，包覆的Co–Ni合金催化剂通过结构创新和合金优化，显著推动了高温二氧化碳电还原技术的进步。
其高能效、极佳的选择性及超长的催化寿命，为实现工业级CO2转化提供了坚实支撑，也是未来绿色能源转换与碳中和战略中的关键技术突破。随着材料合成工艺的完善和模块化SOEC系统的开发，该技术有望尽快脱颖而出，助力全球清洁能源转型和可持续工业发展。
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