为实现碳中和目标需要创新的CO2还原技术，而固体氧化物电解池（SOEC）因其高效将CO2转化为氧气、燃料和化学品的能力而备受关注。然而，目前广泛使用的镍基燃料电极在直接CO2电解条件下存在氧化还原不稳定性的问题，严重制约了其商业化应用。此外，传统的电极制备方法耗时、复杂且成本较高，迫切需要新的材料和工艺来提高SOEC的性能和可制造性。韩国科学技术院TaeHoShin和英国圣安德鲁斯大学 JohnT.S.Irvine提出了一种新型全陶瓷燃料电极(La0.75Sr0.25)0.97Cr0.5Mn0.5O3@Ce0.6Mn0.3Fe0.1O2(LSCM@nano-CMF)，采用超声喷涂技术实现一步法制备。这种方法能够快速形成具有纳米结构的均匀电极，显著简化了传统多步骤的浸渍制备工艺。研究表明，这种纳米催化剂富含氧空位，并在钙钛矿/萤石相界面形成独特的协同催化效应，大幅提升了CO2吸附能力和电化学活性。

　　本文要点

　　要点1. 超声喷涂封装技术（ETUS）制备电极    利用超声喷涂封装技术（ETUS）制备了具有高催化活性的LSCM@nano-CMF电极，展现出简单且可扩展的制备工艺。通过超声喷涂将CMF纳米催化剂均匀引入电极结构，形成稳定且均匀分布的活性催化层，这是传统浸渍工艺难以实现的。扫描电子显微镜（SEM）结果显示，尺寸约40nm的CMF纳米催化剂均匀分布在LSCM表面，并形成了独特的纳米凸起结构。透射电子显微镜（TEM）进一步揭示了CMF与LSCM在钙钛矿/萤石界面上形成一致的晶格连接，界面上的晶格失配导致应变效应，有助于创建活性位点并加速离子传输。此外，能量色散X射线光谱（EDS）表明，CMF相均匀覆盖在LSCM表面，并在热处理后形成点状凸结构。该技术为SOEC电极的纳米结构设计提供了新思路，有望提升CO2电解性能。

　　图1利用超声喷涂技术制备高度均匀的CMF催化剂：(a)基于La₀.₈Sr₀.₂Ga₀.₈Mg₀.₂O₃(LSGM)的电池，涂覆La₀.₄Ce₀.₆O₂(LDC)层的超声喷涂工艺示意图。(b)–(e)超声喷涂制备的LSCM@nano-CMF电极的截面SEM图。(f)FIB加工的LSCM@nano-CMF的高分辨率TEM分析，(g)放大的CMF催化剂图像，(h)和(i)LSCM与CMF之间的界面。(j)LSCM表面CMF催化剂的扫描TEM-EDS分布图。

　　要点2.极性能与催化剂浓度密切相关  研究不同Ce(Mn,Fe)O2(CMF)浓度对LSCM@nano-CMF电极性能的影响，发现电极性能与催化剂浓度密切相关。SEM图像表明，CMF纳米颗粒在喷涂浓度≥6.25wt%时均匀覆盖LSCM表面，12.5wt%浓度的电极在850°C、1.5V条件下表现出最佳电流密度（3.01Acm-2），比纯LSCM电极性能提升126%。然而，过高浓度（25wt%）导致性能下降，主要由于CMF导电性低于LSCM，造成界面阻抗增加。EIS和DRT分析揭示，CMF通过富氧空位特性加速了CO2的吸附/解离（P3过程）及表面交换（P2过程），但高浓度时活性减弱。研究确认12.5wt%的CMF浓度形成的纳米凸起结构为最优，能显著增强LSCM与CMF的协同催化作用，并优化界面氧离子传输和电化学反应性能。

　　图2 LSCM@nano-CMF燃料电极的优化及性能：(a)通过ETUS工艺制备的不同CMF浓度LSCM@nano-CMF电极的SEM图。(b)在850°C、50%CO₂/50%CO条件下，不同LSCM@nano-CMF电极CO₂电解池的I–V曲线。插图：SOEC配置示意图。(c)基于850°CEIS数据，不同LSCM@nano-CMF电极的Ro和Rp比较。(d)不同LSCM@nano-CMF电极在850°C的DRT图。(e)不同LSCM@nano-CMF电极的电化学行为示意图。这些电极在0–12.5%CMF时表现出纳米凸起结构，而在≥25%CMF时表现出高度覆盖的结构。

　　要点3.电化学性能和稳定性   通过超声喷涂制备的优化LSCM@nano-CMF燃料电极在SOEC中展现出优异的电化学性能和稳定性。相比传统球磨法制备的LSCM/CMF复合电极，LSCM@nano-CMF燃料电极在850°C、1.5V下的CO2电解电流密度高达3.01Acm-2，远超2.56Acm-2。纳米催化剂引入显著增加了活性位点，同时其钙钛矿/萤石界面增强了催化活性。EIS和CO2-TPD分析表明，LSCM@nano-CMF电极在高温下富氧空位的存在增强了CO2的吸附与解离能力，并在多种CO2/CO比条件下展现优异的电解性能。该电极在800°C下以0.5Acm-2电流密度运行180小时，衰减率低至≤0.19mVh-1，且未观察到碳沉积。此外，在纯CO2环境下，该电极在850°C下实现了3.89Acm-2的高电流密度，法拉第效率超过92%。这些结果表明，LSCM@nano-CMF燃料电极是高效耐久的CO2电解催化剂。

　　图3 纳米凸起LSCM@nano-CMF电极的电化学性能：(a)带有LSCM@nano-CMF燃料电极的CO₂电解池的横截面SEM图。(b)带有LSCM@nano-CMF燃料电极的CO₂电解池的电化学性能。(c)在850°C下，LSCM@nano-CMF、LSCM/CMF复合电极和LSCM电池的I–V曲线。(d)LSCM@nano-CMF、LSCM/CMF和LSCM电极的Rp温度依赖性。插图：850°C下的EIS数据。(e)LSCM@nano-CMF和LSCM/CMF复合电极在850°C下施加偏压时的DRT图。(f)LSCM@nano-CMF和LSCM/CMF复合电极的DRT图变化。

　　图4 SOEC的CO₂电解性能与耐久性：(a)在不同CO₂/CO条件下，使用LSCM@nano-CMF电极进行CO₂电解的I-V曲线。(b)在1.5V施加电压下，电池性能和不同CO₂/CO条件下的Rp。(c)Faradaic效率和(d)使用LSCM@nano-CMF燃料电极在800°C下进行CO₂电解的稳定性。(e)LSCM@nano-CMF燃料电极在CO₂电解稳定性测试后的拉曼光谱。

　　图5SOEC的超高CO₂电解性能：(a)使用LSCM@nano-CMF电极在纯CO₂条件下进行CO₂电解的I-V曲线。(b)在800°C下，LSCM@nano-CMF燃料电极在偏压条件下的EIS数据。(c)使用LSCM@nano-CMF燃料电极在800°C下、纯CO₂条件下进行CO₂电解的Faradaic效率。