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东北大学李松课题组ACB: 电催化CO₂-to-CO为钢铁工业脱碳注入新动能！

邃瞳科学云

2025-04-10

导读：本工作报道了一种CeO2铠甲银纳米线（CeO2/AgNWs）电催化材料的巧妙构建，并从电子结构调控、界面稳定性等角度揭示了其在CO2电还原反应中实现高效产CO的内在机制。

第一作者：于艺弘

通讯作者：李松教授

通讯单位：东北大学材料科学与工程学院

论文DOI：10.1016/j.apcatb.2025.125352

成果简介

近日，东北大学李松教授在Applied Catalysis B: Environment and Energy上发表了题为“Efficient electrosynthesis of CO-rich syngas over CeO₂-armored Ag nanowires towards sustainable steelmaking”的研究论文(DOI: 10.1016/j.apcatb.2025.125352)。研究聚焦钢铁工业“碳中和”难题，创新性地将电化学共还原CO₂与H₂O生成富CO合成气耦合到制铁流程，构建了基于绿电的碳循环工艺。通过在Ag纳米线表面原位构筑非对称Ce–O–Ag界面结构，实现对催化活性位点的稳定化与电子结构调控，显著提升了CO选择性与电流密度。相比传统Ag基催化剂，CeO₂修饰结构显著抑制Ag在高电流下的团聚和失活。技术经济分析（TEA）显示，该体系在钢铁制造流程中可将CO₂排放减少83%、清洁电力利用率提升至91.4%，为绿色冶金和能源耦合提供全新范式。

全文速览

针对钢铁工业高碳排放与传统还原剂依赖化石资源的问题，本研究设计并合成了一种表面构筑CeO₂铠甲层的银纳米线（CeO₂/AgNWs）电催化材料，可在工业级电流密度下高效实现CO₂到富CO合成气的转化。该材料通过Ce–O–Ag界面结构，有效调控了Ag的电子结构，显著降低了CO₂还原关键中间体*COOH的能垒，在−251.3 mA cm⁻²电流密度下实现了92.1%的CO法拉第效率。同时，该铠甲结构显著提升了催化剂在高电流下的结构稳定性，抑制Ag团聚与失活。最后，通过能量分析与技术经济评估，验证了该体系在钢铁生产流程中应用的节能减排潜力。该研究为CO₂资源化利用与钢铁行业碳中和提供了重要理论依据与技术路径。

背景介绍

传统钢铁制造过程中大量使用焦炭作为还原剂，导致碳排放高、能源利用效率低，成为实现碳中和的重要难点。虽然电化学CO₂还原（ECR）技术可将CO₂转化为碳一化学品，但其与高耗能工业流程的融合仍面临挑战。本研究提出将ECR产物——富CO合成气引入炼钢流程，构建“电气化碳循环”模式，既减少了化石能源使用，又实现了CO₂的高值回收。该策略有望打破传统冶金对传统化石能源以及焦炭的依赖，为绿色钢铁制造提供了新的解决路径。

本文亮点

1. 本工作构建了表面负载CeO₂的银纳米线电催化剂（CeO₂/AgNWs），Ce–O–Ag界面结构有效提升了CO₂吸附活化能力和电子转移效率，在工业级电流密度表现出优异的CO选择性与稳定性。

2. 通过系统调控CeO₂负载量，可精准调节合成气中CO/H₂比例以适配不同冶金需求。同时，结合CO₂-TPD、原位FT-IR与DFT计算，证实CeO₂可显著降低*COOH中间体的形成能垒。

3. 本研究提出并验证了一种基于电催化CO₂还原耦合钢铁还原的新技术路线，构建“电气化碳循环”体系，实现了高比例清洁能源利用（91.4%）与CO₂排放显著降低（~83%），为绿色冶金提供了可行的路径和技术支撑。

图文解析

Fig. 1. Schematic diagram illustrating the electrified carbon cycling in steelmaking.

本研究提出将电化学CO₂还原技术（ECR）产出的富CO合成气引入钢铁流程，替代传统焦炭和化石燃料，实现碳循环与减排。LCA评估表明，该策略可降低约83%碳排放，且91.2%的还原反应能量可由可再生电力提供，为钢铁行业提供绿色低碳解决方案。

Fig. 2. (a) Schematic illustration of CeO₂/AgNWs synthesis and (b–i) characterization results.

采用多元醇法制备Ag纳米线，并通过氧气辅助水热法在其表面负载CeO₂形成“铠甲”结构。透射电镜和XPS等表征结果显示，Ce元素均匀分布，形成Ce–O–Ag异质结构，同时提高了氧空位浓度和Ag的电子结构稳定性，为后续电催化反应性能提升奠定基础。

Fig. 3. (a–i) Electrochemical CO₂reduction performance of AgNWs-based catalysts.

CeO₂/AgNWs在−1.5 V下表现出92.1%的CO法拉第效率和−258.5 mA cm⁻²的高电流密度，显著优于未修饰的AgNWs和La₂O₃/AgNWs。CeO₂修饰提高了氧空位浓度与电子传输能力，增强了CO选择性和催化稳定性，并可灵活调控合成气中CO/H₂比例以适配不同炼钢需求。

Fig. 4. In-situ MS and SEM reveal CO selectivity and structural stability of CeO₂/AgNWs.

Fig. 5. DFT calculations and FT-IR spectra illustrate CO₂ reduction pathway and electronic modulation.

通过原位质谱和SEM观察，CeO₂修饰显著提高了催化剂的CO选择性和结构稳定性。进一步的FT-IR表征与DFT计算表明，CeO₂/Ag界面有效降低了*COOH中间体形成能垒，增强了电子转移并提升CO₂吸附活化与电催化反应效率。

Fig. 6. Energy evaluation of integrating ECR into steelmaking.

构建基于CeO₂/AgNWs的MEA电解槽，实现在3.4 V下CO法拉第效率达91.0%，可再生能源占比达91.4%。调控CeO₂负载量可精准调节CO/H₂比例，优化铁矿还原热效应。能量评估表明，该策略不仅降低了单位钢产能耗，还显著减少化石能源使用，为绿色冶金提供可行路径。

总结与展望

这项工作报道了一种CeO₂铠甲银纳米线（CeO₂/AgNWs）电催化材料的巧妙构建，并从电子结构调控、界面稳定性等角度揭示了其在CO₂电还原反应中实现高效产CO的内在机制。研究通过原位表征、电化学测试及DFT计算系统阐明了反应路径与能垒变化，同时结合LCA与能量分析明确其在钢铁行业碳中和路径中的应用潜力。该工作为构建高稳定性、高效率的CO₂电还原催化材料并推动其钢铁工业耦合应用提供了可行的策略与理论支撑。

作者介绍

李松，东北大学材料科学与工程学院教授。2003年毕业于东北大学，2009年获法国Lorraine大学材料物理博士学位。主要研究兴趣为“工业过程深度电气化关键材料”，通过不同尺度上调控材料微观组织、表界面结构，从理论上揭示物质结构与表面化学性质之间的关联，在实验上优化材料催化性能及能量转换效率，发展阻滞材料性能退化的策略和技术。具体涉及：1）薄膜与催化功能涂层，2）金属-氧化物界面结构调控，3）能源小分子催化。

参考文献

Yu Y.-H., Cui X., Hong Y.-M., Qin G.-W., Li S. Efficient electrosynthesis of CO-rich syngas over CeO₂-armored Ag nanowires towards sustainable steelmaking. Applied Catalysis B: Environmental and Energy, 2025, 125352. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125352.

文章链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337325003352