山东科技大学韩野教授团队：高温热冲击制备多尺度缺陷Sr2FeTaO6−δ阳极，快速为固体氧化物燃料电池“注入”活性

第一作者：时丕荣

通讯作者：韩野*

单位：山东科技大学

固态氧化物燃料电池（SOFC）因其高效率和燃料多样性，被认为是极具前景的清洁能源转换技术。阳极作为SOFC的核心组件，在催化燃料氧化和促进界面反应中发挥着关键作用。传统的镍基金属陶瓷阳极在高温长期运行中存在镍聚集和性能不可逆退化的问题，因此，开发新型高性能阳极材料迫在眉睫。双钙钛矿氧化物(A2B'B''O6)由于混合离子-电子导电性，受到广泛关注。其中，Sr₂FeTaO_6−δ是一种具有良好化学和热力学稳定性的典型双钙钛矿材料。然而，传统固相法合成的SFT材料晶粒尺寸大限制了活性反应界面的形成，氧空位浓度低电导率有限。为此，本研究引入一种高温热冲击（High-Temperature Shock, HTS）非平衡烧结策略，在数秒内实现高温升降，诱导多尺度缺陷结构的形成，以显著提升SFT阳极的电化学性能。

近日，山东科技大学韩野教授团队在Chemical Engineering Journal发表题为“Defect engineering of Sr₂FeTaO_6−δ anodes via high-temperature shock for solid oxide fuel cells”的最新研究。研究提出了一种基于高温热冲击的快速非平衡烧结策略，实现了富缺陷双钙钛矿Sr₂FeTaO_6−δ阳极的制备。通过快速升温/冷却，生成了SrFeO₃和Sr₅Ta₄O₁₅相，构筑了纳米多相结构和高密度缺陷体系。该结构在0D（氧空位）、1D（位错与应变场）和2D（纳米晶界）多尺度上协同促进气体吸附/解离、电荷传输和界面反应动力学，使得燃料电池阳极活性显著提升。实验表明，HTS-SFT阳极在850 °C下实现峰值功率密度0.578 W cm⁻²，为常规烧结样品（MF-SFT）的2.77倍，同时极化电阻降低约85%，活化能从1.306 eV降至1.214 eV，表现出优异的反应活性。

HTS超快速热处理诱导了SFT材料中SrFeO₃(SFO)和Sr₅Ta₄O₁₅(STO)相弥散分布。这种多相共存的结构带来了纳米多晶微结构，极大地提高了材料的比表面积和界面催化活性。DFT计算结果表明，SFO和STO相的存在能降低氧空位迁移势垒，从而增强复合材料的氧离子传输性能。

全面的表征结果显示，HTS-SFT阳极展现出多尺度缺陷协同效应：0D尺度下氧空位富集，提高了氧离子电导率。1D尺度下存在丰富的位错和局部压缩-拉伸应变场。DFT计算证实，位错区的氧空位形成能显著降低。2D尺度下形成了密集的纳米晶界，提供了大量的电化学反应活性位点。这些多尺度缺陷协同作用，有效地促进了气体吸附/解离、电荷转移和界面反应动力学。

相比于传统烧结的SFT，HTS-SFT单电池的电化学性能得到了大幅增强。在850℃下，HTS-SFT阳极实现了0.578 W cm⁻²的峰值功率密度，同时，HTS-SFT的极化电阻显著降低，表观活化能从1.306 eV降至1.214 eV，充分证明了其优异的催化活性。此外，由于高键能Ta-O键的存在HTS-SFT表现出优异的稳定性。

Defect engineering of Sr₂FeTaO_6−δ anodes via high-temperature shock for solid oxide fuel cells

韩野教授简介：山东科技大学材料科学与工程学院副教授、硕士生导师，德国达姆施塔特工业大学访问学者。主要从事固体氧化物燃料电池关键材料以及人工智能与数值模拟辅助材料设计研究。研究方向包括：固体氧化物燃料电池电极与电解质材料开发；人工智能辅助新材料设计；机器学习势函数开发；计算材料设计；先进陶瓷材料；光/电催化材料；相变储能材料；金属基复合材料等。主持山东省博士基金项目一项，参与国家自然科学基金、国家863计划、省重点研发项目等多项课题研究，主持企业委托项目10余项。