First-Principles Based Microkinetic Modeling of CO2 Reduction at the Ni/SDC Cathode of a Solid Oxide Electrolysis Cell

过电位 阴极 电解 氧化物 材料科学 氧气 解吸 化学工程 无机化学 化学 电极 吸附 物理化学 冶金 电化学 电解质 工程类 有机化学
作者
Bohua Ren,Jingde Li,Guobin Wen,Luis Ricardez–Sandoval,Eric Croiset
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:122 (37): 21151-21161 被引量:41
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.8b05312
摘要

Understanding of the CO2 electroreduction mechanism at the three-phase boundary (TPB) is of great importance for the development of a solid oxide electrolysis cell (SOEC). In this study, the effect of oxygen vacancy locations on the CO2 reduction reaction (CO2RR) at the TPB of Ni(111)/samarium-doped ceria (SDC) surface was investigated using periodic density functional theory (DFT) + U calculations. It was found that interface oxygen vacancy can notably boost CO2 adsorption and reduction. Based on DFT results, a microkinetic analysis was conducted to determine the rate-controlling step under various solid oxide electrolysis cell operating voltages at 1000 K. Possible charge transfer steps, including one- or two-electron charge transfer, were considered and discussed. The analysis reveals that, on Ni/SDC with noninterface oxygen vacancy, the rate-controlling step will change from the oxygen spillover step to the CO desorption step with an increase in cathode overpotential. On Ni/SDC with interface oxygen vacancy, CO desorption is the rate-controlling step regardless of the electrode overpotentials.
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