山东科技大学：HTS 40 秒极速合成 Ba-铁氧体，P-SOC 空气电极性能全面跃升

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导语
质子导体固体氧化物电池（P-SOCs）被视为中低温绿色能源转换的“终极方案”，但空气电极的氧反应动力学一直是“卡脖子”环节。2025 年 9 月 1 日，山东科技大学涂宝峰教授团队在 Ceramics International 发表最新研究：借助高温热冲击（HTS）技术，仅用 40 秒便获得以 Ba₂Fe₂O₅ 为主相的无钴钡铁氧体，一举将 650 °C 下的燃料电池峰值功率密度推至 0.806 W cm⁻²，电解模式 1.3 V 电流密度达 1.654 A cm⁻²，并稳定运行 100 小时以上。本文梳理关键数据，为从事 P-SOC 电极材料设计的同行提供一份“快速制备-高活性”路线图。

研究亮点
• 极速合成：40 s 一步 HTS 完成相组成与缺陷调控，避免长时间高温烧结。
• 结构优势：Ba₂Fe₂O₅ 主相 + 少量 BaFe₂O₄，比表面积 5.69 m² g⁻¹，氧空位浓度 1.04×10¹⁴ spins g⁻¹。
• 性能突破：650 °C 极化电阻 0.19 Ω cm²；燃料电池/电解双模式指标均优于传统马弗炉样品。
• 无钴设计：降低原材料成本与毒性风险，契合商业化需求。

图文解析

图1 HTS 工艺示意
• 40 s 内升温至 900 °C 后瞬时冷却，非平衡过程抑制晶粒长大。
• XRD 证实主相 Ba₂Fe₂O₅ (p21/c) 随热处理时间延长逐渐纯化。

图2 电化学阻抗对比
• HTS-BF 在 550–650 °C 区间极化电阻最低；DRT 解析表明氧空位促进表面交换与体相扩散（P1–P3 峰显著降低）。

图3 比表面积与缺陷
• N₂ 吸附-脱附等温线呈典型 IV 型，介孔分布集中于 10–30 nm。
• EPR g≈2.003 信号强度约为马弗炉样品的 2.3 倍，指示丰富氧空位。

图4 XPS O 1s 精细谱
• HTS-BF 晶格氧（Olatt）/吸附氧（Oads）比值最低，表面活性氧比例升高，有利于 OER/ORR 中间体吸附。

图5 微观形貌
• SEM 显示 HTS-BF 颗粒尺寸均一 (~200 nm) 且孔道连通；RC/MF 样品出现明显烧结颈。

图6–7 单电池性能
• PCFC 模式：650 °C 峰值功率 0.806 W cm⁻²（HTS-BF） vs 0.55 W cm⁻²（RC-BF）。

• PCEC 模式：1.3 V 电流密度 1.654 A cm⁻²，欧姆阻抗降低约 35 %。

图8 耐久性
• ±0.5 A cm⁻² 循环 100 h 电压衰减 <1 %；SEM 显示 HTS-BF 微观结构无明显裂纹或颗粒粗化。

总结与展望
本研究以 40 秒 HTS 技术为核心，成功在无钴钡铁氧体体系中实现“高比表面积-丰富氧空位-优异电催化活性”的协同优化，为 P-SOCs 提供了一条低温、高效、可放大的空气电极制备路线。下一步工作将围绕：

1. HTS 工艺放大至卷对卷连续制粉；

2. 结合原位中子衍变与 DFT 计算，阐明 Ba/Fe 比例对氧空位形成能的影响；

3. 评估 HTS-BF 在 500 °C 以下低温区间的长期稳定性与抗 Cr 中毒能力。

深圳中科精研 · 实验支持
• HTS-1000 快速热冲击系统：升温速率 10⁴ °C min⁻¹，支持 1–60 s 精准热处理；
• 原位 EIS 高温电解池：550–800 °C 全温区阻抗谱自动采集；
• P-SOC 单电池测试台：兼容燃料电池/电解双模式，最大测试电流 5 A cm⁻²。