AEM：界面纳米结构实现一体化、低极化的可逆质子陶瓷电池

第一作者：郑双林

通讯作者：丁汉平*

单位：美国俄克拉荷马大学，爱达荷国家实验室，康涅狄格大学

质子陶瓷电池（PCCs）因可在中温区间高效实现发电与蒸汽电解制氢，被认为是连接可再生电力与化学储能的重要电化学平台。相比更高温的传统固体氧化物体系，PCCs在400–600 °C范围内兼具较高质子传导性、较好的材料兼容性与系统集成潜力，因此在可逆能源转换领域具有明显优势。然而，随着电解质本体传导性能不断提升，器件性能与寿命的主要瓶颈正越来越多地转移到界面，尤其是氧电极/电解质界面。该界面往往同时受限于接触不连续、氧表面交换与界面电荷转移动力学缓慢、蒸汽分压敏感以及热化学循环下的机械脆弱性，从而导致极化升高、局域电流拥挤和界面剥离。如何构建兼具连续接触、快速传输、化学兼容和机械稳固的界面，已成为推动PCCs走向实用化的关键问题。

传统多孔氧电极与电解质之间通常只有离散点接触，容易引发局域电流集中、界面极化升高和长期循环下的脱层。本文利用PLD在BZY表面沉积一层薄而致密、成分可控、覆盖均匀的纳米晶PLBC中间层，使氧电极/电解质之间形成连续、共形的二维接触，同时构建缺陷富集的反应区域，从而改善传输连续性、界面黏结和反应可达性。

作者系统分析了PLBC在干燥与湿润气氛中的结构稳定性和缺陷化学。高温XRD表明，PLBC在干湿空气中均表现出可逆化学膨胀且无杂相析出；TGA和阻抗分析显示其具有可观的氧空位储备并对蒸汽分压敏感；XPS结果进一步表明，PLBC表面富含与羟基和吸附氧相关的活性氧组分，说明其表面更加易于水参与和氧交换反应。这些特征共同支撑了其在蒸汽环境下优异的氧电极动力学表现。

多尺度表征结果证明，该PLD中间层并非无序反应层，而是具有明确结构身份和稳定界面功能的工程化薄层。截面SEM显示其形成了“多孔PLBC/致密PLD-PLBC/BZY”的三层结构；XRD与电子衍射证实沉积层保持目标四方相；HAADF-STEM、EDS和线扫结果显示中间层与BZY之间界面清晰、过渡明确，且具有抑制有害阳离子互扩散的潜力。原子分辨像还揭示了PLBC特征性的A位有序层状结构，说明该层在纳米尺度上仍保持良好晶体学完整性。

力学测试表明，引入PLD中间层后，电极/电解质界面结合强度提高约3倍。AFM结果显示表面粗糙度增加，也有利于扩大真实接触面积。在电化学表现上，PLD修饰后电池在600 °C、H2–O2条件下峰值功率密度提升约62%，表明界面优化直接转化为器件输出能力的提升。与此同时，极化电阻显著下降，表观活化能由0.427 eV降至0.407 eV，说明速率控制过程的动力学势垒被有效降低。DRT分析进一步指出，改善主要来自氧表面交换及界面电荷转移过程的强化。

在电解工况下，该器件在0.3 atm蒸汽、600 °C、1.30 V条件下可实现1.55 A cm⁻²的高电流密度，且氢气通量超过11 mL min⁻¹ cm⁻²，法拉第效率维持在92%以上。更重要的是，器件在0.3–0.5 atm高蒸汽压力下完成了约1000 h的可逆循环测试，极化阻抗未出现明显恶化，电流衰减速率仅为0.567 mA cm⁻² h⁻¹，电压衰减速率仅为0.193 mV h⁻¹。即便在不同蒸汽分压切换、动态电流负载以及多次热循环条件下，器件仍保持稳定阻抗响应和界面结构完整性，展现出较强的应用适应性。

该工作表明，针对PCCs中最关键也最脆弱的氧电极/电解质界面，PLD构筑的纳米结构化中间层不仅可以提升接触质量，更能够同时调控反应区域、缺陷环境、界面传输与机械稳固性，实现“结构强化”与“动力学优化”的协同。相比仅通过优化多孔电极微结构或表面活性来改善性能，这种直接面向埋藏界面的工程策略更具针对性，也更接近器件长期稳定运行的真实需求。

更进一步看，该策略并不局限于PLBC/BZY这一特定体系。文章结论指出，这种PLD驱动的界面纳米结构化方法具有可迁移性，可拓展至更多质子陶瓷与固体氧化物电化学器件，用于构建低损耗、高稳定、可承受苛刻热化学环境的电极/电解质界面。因此，这项工作不仅为可逆PCCs的高性能蒸汽电解提供了新思路，也为更广泛的中高温固态电化学器件界面设计提供了参考。

本文通过PLD在BZY电解质表面构建致密纳米晶PLBC中间层，将传统接触受限的氧电极/电解质界面升级为连续、稳固且反应活跃的二维界面，从而实现了高功率输出、低极化损失和长时稳定蒸汽电解

Interfacial Nanostructuring Enables Integrated, Low-Polarization Reversible Protonic Ceramic Cells

丁汉平教授长期从事能源转换与储存研究，主要聚焦于燃料电池、制氢、电池、电催化、增材制造及电化学加工等方向。加入University of Oklahoma之前，他曾任职于Idaho National Laboratory，主要开展基于固体氧化物电池的制氢研究。作为技术负责人之一，他深度参与美国能源部HydroGEN联盟，牵头高温电解方向的材料表征与电化学测试工作，为多所高校和企业项目提供关键技术支持，推动相关项目持续发展。此外，他还参与H2-2.0、H2NEW和SuperNode等项目，系统开展P-SOEC电解质电子泄漏与质子传导机理、以及传统SOEC衰减行为与机制等研究，并主持或参与多项LDRD项目，围绕电催化剂开发和电解质电子泄漏机理展开攻关。

目前，丁汉平教授在University of Oklahoma领导的研究团队已具备完善的P-SOEC制备、单电池测试及先进表征能力，持续围绕氢能技术开展前沿研究。他现主持由DOE EERE通过Bipartisan Infrastructure Law资助的项目，致力于通过提升固体氧化物电解池系统的稳定性与制造成熟度来降低制氢成本，并与Idaho National Laboratory合作开展高熵合金催化剂开发和新型电解质材料质子传导性能提升研究。

丁汉平教授自2008年以来已发表70余篇同行评审论文，发表于 Nature, Nature Communications, Nature Synthesis, Advanced Materials, Advanced Energy Materials，Materials Today, Advanced Functional Materials, Small 和Joule 等期刊，并申请美国专利5项。

郑双林，University of Oklahoma机械工程专业博士研究生，主要从事能源转换与储存领域研究，聚焦于质子陶瓷电池/电解池、固体氧化物电池、氢气制备、电催化及电化学界面工程等方向。其研究重点包括电极/电解质界面设计、电极微结构优化、缺陷调控以及器件性能与稳定性提升，致力于开发高效、耐久的先进电化学能源器件。相关研究成果已发表于 Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Energy Materials 等国际顶级期刊。