摘要：虽然固体氧化物电解电池中的高温CO2电还原在工业上是相关的，但目前的催化剂在高电流密度下具有适度的能量效率和有限的寿命，在1 A cm-2和800°C或更高的温度下，通常分别低于70%和200 h。

电化学将二氧化碳还原为化学物质和燃料，在可再生能源储存和碳回收方面具有很大的前景。

虽然固体氧化物电解电池中的高温CO2电还原在工业上是相关的，但目前的催化剂在高电流密度下具有适度的能量效率和有限的寿命，在1 A cm-2和800°C或更高的温度下，通常分别低于70%和200 h。

在此，来自瑞士苏黎世联邦理工学院的胡喜乐等研究者开发了一种用Sm2O3掺杂的CeO2封装的Co-Ni合金催化剂，在800°C下，在1 A cm -2下，能量效率为90%，寿命超过2000小时。相关论文以题为“Encapsulated Co–Ni alloy boosts high-temperature CO2 electroreduction”于2025年05月14日发表在Nature上。

电催化还原CO₂以合成化学品和燃料，是迈向净零排放社会的一条重要潜在路径。
目前已有大量研究聚焦于低温CO₂电还原技术（温度低于100 °C），但此类技术仍面临诸多挑战，包括系统能效低、催化剂寿命有限等问题。

在工业相关的膜电极组件（MEA）电解槽中，低温CO₂电还原的能量效率通常低于35%，在电流密度达到或超过1 A cm⁻²时，催化剂寿命也往往不超过100小时。

此外，CO₂与OH⁻之间发生的副反应会生成碳酸盐，进一步导致碳效率和系统寿命显著降低，难以满足实际应用需求。

针对上述瓶颈，高温CO₂电还原（600–1,000 °C）的固体氧化物电解槽（SOEC）技术成为了一种具有吸引力的替代方案。该策略以纯CO₂为唯一反应物，无需引入水或其他氢源，因而能够实现CO的完全选择性产出。

同时，在1 A cm⁻²的电流密度下，其能量效率可超过50%。目前常用的SOEC催化剂多为金属单质、金属与氧化物的简单混合物，或是金属修饰的氧化物复合材料，但这些材料在高温下常面临活性位点有限、颗粒团聚或积碳等问题，导致催化活性与稳定性之间存在权衡。

为此，研究人员尝试通过多种策略提升催化性能，如双金属催化、外渗生长、氧化还原循环与形貌调控等。

然而，即便采用非贵金属催化剂，在工业相关电流密度（≥1 A cm⁻²）下，其能效和寿命仍难以突破70%和200小时的限制。

虽然已有报道表明贵金属Ru–Fe合金催化剂在约0.5 A cm⁻²下可稳定运行达1,000小时，但其后性能仍下降约60%，难以持续。

合金工程为调控金属表面电子与几何结构、提升催化性能提供了新思路。

研究者提出，通过将活性合金包裹于惰性氧化物中，可有效防止合金团聚，同时构建丰富界面，从而打破活性与稳定性的权衡。

在此基础上，研究者设计了一种非贵金属Co–Ni合金催化剂，其外包一层掺Sm₂O₃的CeO₂（SDC）外壳，兼具高活性与高稳定性，用于高温CO₂还原制CO。

该催化剂在1 A cm⁻²、800 °C条件下实现了90%的能效与2,000小时的稳定运行寿命，性能优于目前已报道的先进材料。

其优异性能归因于：一方面，SDC外壳的结构封装抑制了表面重构与积碳生成；另一方面，高效的Co–Ni合金为三相界面提供了更多活性位点，协同促进了高温CO₂电还原反应的稳定与高效进行。

图1 高温CO2电还原原理图。

图2 WSe2负载RTG的磁性研究。

图3 表征。

图4 作用机理。

图5 比较。

综上所述，研究者成功开发出一种钴–镍合金催化剂，并采用相对惰性的SDC（掺杂Sm₂O₃的CeO₂)进行包覆，用于高温CO2电还原反应。其独特的包覆结构与优化的合金组成协同作用，不仅增强了CO2的吸附能力，还适度调节了CO的吸附强度，并有效抑制了金属颗粒的团聚，从而兼顾了高催化活性与优异稳定性。

本研究为构建高效且稳定的高温CO₂电还原催化剂提供了新策略，展现出良好的工业应用前景。

参考文献

Ma, W., Morales-Vidal, J., Tian, J. et al. Encapsulated Co–Ni alloy boosts high-temperature CO2 electroreduction. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08978-0

来源：MS杨站长