固体氧化物电解池（SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell）​ 是一种高温电解技术，利用固体氧化物电解质（如氧化钇稳定的氧化锆，YSZ）在700–1000℃下高效分解水或二氧化碳，生成氢气（H₂）或合成气（H₂+CO），电热催化​（Electrothermal Catalysis）则通过引入外部电场或电流，​增强催化剂表面的焦耳热效应和非热电子效应，进一步降低反应活化能，提升反应速率和选择性。在能源转化、环境治理及化工合成中展现出革命性潜，SOEC电热催化是将两者结合的技术，利用SOEC的高温环境与电热催化的协同作用，突破传统电解的能效瓶颈。

一．技术背景与定义

​（1）传统催化的局限性

​热催化：依赖外部加热，能量利用率低（<40%），高温反应条件导致催化剂易失活，且反应速率受限于热传导效率。

​电催化：适用于低温反应（如水电解、燃料电池），但对高温吸热反应（如甲烷重整、CO₂加氢）效率不足，且强电流可能导致催化剂烧结或副反应加剧。

​（2）电热催化的核心概念

电热催化通过施加电场或电流，在催化剂表面同时产生焦耳热效应​（局部高温）和非热电子效应​（电子结构调控），实现反应动力学与选择性的协同优化。

焦耳热效应：电流通过导电催化剂产生热量形成微区高温（100–1000℃），加速吸热反应。

​非热电子效应：强电场激发高能电子，优化吸附能（如*CO、*OH），甚至直接参与反应（如O₂解离）。

​协同优势：热效应降低热力学势垒，电子效应调控动力学路径，实现“1+1>2”的催化性能提升。

二．核心原理与机制

​（1） 焦耳热效应

​局部高温场：电流通过催化剂产生热量，形成温度梯度（热点效应）。

​动态响应：毫秒级升温速率（>1000℃/s），优于传统加热（~10℃/min），适用于快速启动和动态调控。

​应用场景：加速吸热反应（如甲烷重整、CO₂加氢）并抑制副反应（如积碳）。

​（2）非热电子效应

​d带中心调控：电场改变催化剂表面电子结构，优化中间体吸附能（如*CO、*OH）。

​热电子发射：强电场激发高能电子，直接参与断键（如O₂解离为O*）。

​场致极化：增强离子传导（如质子交换膜中的H⁺迁移），提升反应速率。

​（3） 协同作用

​热-电耦合：焦耳热降低热力学势垒，非热电子调控动力学路径。

​实例：Ni/CeO₂电热催化剂在700℃下CH₄转化率>95%，碳沉积量减少80%（传统需900℃）。

三. SOEC电热催化的优势

​（1）高效能：焦耳热效应降低反应过电位，电解效率比传统SOEC提升20–50%。热能与电能协同，系统整体能效接近60%（传统PEM电解槽<40%）。

​（2）宽温域操作：700–1000℃高温兼容CO₂和CH₄重整反应，实现“电-热-化”多能耦合。

​（3）高选择性：非热电子效应优化中间体吸附，提升CO₂制CO或甲烷的选择性。

​（4）抗积碳：电场抑制C* + H₂O → CH₄ + OH⁻（析碳反应），提高稳定性。

四. 应用场景

​(1) 绿色制氢**

​SOEC电热催化水电解：在800℃下，电流密度达2 A/cm²，过电位<1 V，法拉第效率>95%。

优势：高温降低电能需求，热能与电能协同提升能效。

​(2) CO₂资源化利用

​CO₂电解制CO：SOEC电热催化CO₂RR在750℃下，CO选择性达90%，法拉第效率>85%。

应用：合成甲醇、甲酸等化学品。

​CO₂加氢制甲烷：电热催化Ni-YSZ电极在850℃下，CH₄产率提升3倍，碳沉积减少80%。

​(3) 甲烷重整与制氢

​SOEC电热催化甲烷重整：电场辅助CH₄ + H₂O → CO + 3H₂，700℃下转化率>95%，碳沉积抑制率>90%。

优势：高温下反应速率快，无需额外催化剂再生。

​(4) 氨合成（NRR）​

​SOEC电热催化氮还原：在800℃下，Ru基电热催化剂法拉第效率达20%，突破传统低温NRR的效率瓶颈。

五．技术挑战与突破方向

​1. 当前瓶颈

​能量效率低：焦耳热损耗导致系统能效<50%；

​催化剂失活：高温/电场下烧结、积碳（如Ni基催化剂）；

​规模化难题：电极电流分布不均，反应器设计复杂。

​2. 创新解决方案

​（1）低能耗设计：宽禁带半导体（如β-Ga₂O₃）替代金属，焦耳热损耗减少30%；

脉冲电流技术：间歇性加热，能耗降低50%。

​（2）稳定性提升：

ALD保护层：Al₂O₃包覆Ni颗粒，寿命延长至10,000小时；

​自修复电解质：CeO₂基材料在高温下动态修复氧空位。

​（3）智能化系统：数字孪生模型：实时优化电流密度与热场分布；

​AI筛选催化剂：机器学习预测Fe-Co-Ni三元合金性能。

六．总结

      SOEC电热催化技术是通过高温与电场的协同作用，突破了传统电解的能效与选择性瓶颈，在绿氢制备、CO₂资源化、甲烷重整等领域展现出巨大潜力。未来需聚焦低成本材料开发、系统集成优化和多能耦合创新，推动其从实验室走向工业化应用。

产品展示

      SSC-SOEC80电热协同催化剂评价系统是一种结合电场和热场协同作用的固体氧化物电解池（SOEC）实验平台，用于高效电解H₂O/CO₂制取H₂/CO，是SOFC的逆向反应。该系统通过精确控制温度、电压和气体组成，研究电热耦合效应对电解性能的影响，并优化催化剂材料和操作参数。本SOEC评价系统设计科学、功能全面，能够满足从材料研究到系统集成的多种测试需求。通过高精度控制和多功能测试模块，可为SOEC的性能优化与商业化应用提供可靠的数据支持。

      光电热多场耦合的催化在环境治理（如高效降解污染物）、能源转换（如CO2还原、水分解）和化工合成中有潜力。例如，在CO2还原中，光提供激发能，电帮助电子传递，热促进反应物活化，三者结合可能提高产物选择性和反应速率；光热耦合电合成氨。光电热催化代表了多能量场协同催化的前沿方向，未来将在绿色化学和碳中和领域发挥重要作用。

SOEC系统优势：

1、研究电热协同作用对SOEC电解效率的影响，优化催化剂材料和操作参数（温度、电压）。

2、比较不同催化剂（如Ni-YSZ与掺杂Ce/Co的催化剂）在电解H₂O/CO₂中的性能。

3、探究温度（600–800°C）和电压（0.5–2V）对电流密度、法拉第效率及稳定性的影响。

4、分析电化学阻抗谱（EIS）以揭示反应动力学机制。

5、通过温度-电压协同调控、多尺度表征及长期稳定性测试，系统揭示电热催化在SOEC中的作用机制。

6、引入原位高温拉曼光谱，实时追踪催化剂动态行为。

7、 “热-电协同因子”量化电热耦合效应强度。

8、为高效电解CO₂制合成气（H₂/CO）或绿氢提供实验与理论依据。