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文 章 信 息
通过转变电极晶体结构，实现质子陶瓷电池可逆发电与制氢性能双提升
第一作者：Saroj Karki
通讯作者：丁汉平
单位：美国俄克拉荷马大学 航空与机械工程系
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研 究 背 景
全球能源转型加速，对高效、可持续的储能与能源转化技术提出了更高要求。当前，化石燃料依然占据主导地位，亟需开发能够高效利用可再生能源(如风能、太阳能)的新型能量转换体系。质子陶瓷电化学电池(Protonic Ceramic Electrochemical Cell, PCEC)因其能够在中温条件下实现电解水制氢与燃料电池发电的双向可逆运行，成为实现氢能大规模应用的重要技术路径。
然而，尽管质子陶瓷电池具备高能效、燃料多样性与系统简化等优势，其商业化仍受限于空气电极反应动力学迟缓、结构不稳定及长期耐久性不足等关键科学问题。特别是在高温高湿环境下，传统钙钛矿型电极易发生相变与性能衰退，导致电极-电解质界面失效和活性位点流失。
针对这一长期瓶颈，如何从晶体结构层面调控氧空位与质子传输路径，构建兼具高活性与高稳定性的电极材料，成为质子陶瓷电池领域的重要研究方向。丁汉平教授团队的本项研究正是从结构演化与反应动力学耦合的角度，提出了一条具有普适性的解决思路。
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文 章 简 介
近日，美国俄克拉荷马大学丁汉平教授团队在国际顶级期刊 Materials Today 发表最新研究成果，报道了一种通过A位离子掺杂诱导结构转变的新型电极设计策略。研究团队通过在PrNi0.7Co0.3O3-δ（PNC)中引入Sr2⁺，实现了从钙钛矿相向Ruddlesden-Popper (R-P)层状结构的转变，成功构筑出高性能的双功能电极 (Pr0.6Sr0.4)2Ni0.7Co0.3O4-δ (PNSC)。
该结构转变显著提高了材料的氧空位浓度与离子传导通道，促进了质子传导和氧还原/析出反应动力学。结果表明，该电极在600℃下实现了1.03 W cm⁻2的峰值功率密度（燃料电池模式)和1.30 A cm⁻2@1.30 V (电解模式)的优异性能；在50%高蒸汽环境下，法拉第效率高达85%，并在长时间动态循环中保持出色的稳定性。
该研究不仅在单一体系中实现了性能突破，更提出了一种具有普适性的材料设计理念——通过层状化与缺陷调控实现多载流子协同传输。这一策略可进一步扩展至其他过渡金属氧化物体系，为高温电解池、燃料电池及金属-空气电池等多种能量转换装置提供新思路。未来，该设计方法有望在高效氢能制取、可逆固体氧化物电池与清洁能源耦合系统中实现广泛应用。
图1. PSNC电极的结构演化与双向工作性能示意图。
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本 文 要 点
要点一：结构转变带来本征活性与稳定性双提升
该研究通过A位离子掺杂(Pr3⁺→Sr2⁺)实现了从钙钛矿PrNi0.7Co0.3O3-δ (PNC)向Ruddlesden-Popper (R-P) 层状结构(Pr0.6Sr0.4)2Ni0.7Co0.3O4-δ (PNSC)的可控转变。R-P结构的形成有效调节了B位Ni/Co阳离子价态分布，诱导形成稳定且高浓度的氧空位网络。这一结构演化不仅显著增强了晶格柔性与氧离子迁移率，还拓展了质子在层间的传输路径，从根本上改善了电极在氧化/还原条件下的可逆反应活性和抗结构退化能力。该工作表明，通过合理的离子掺杂实现相结构可控转化，是突破质子陶瓷电极瓶颈的关键手段。
要点二：氧电极反应动力学显著加速，极化阻抗大幅降低
R-P层状结构的开放晶格与多维传输通道显著降低了氧还原与析氧反应(ORR/OER)的能垒。实验结果显示，PSNC电极在600 °C下的极化阻抗仅为0.049 Ω·cm2，较传统钙钛矿型电极降低超过60%。层状结构中丰富的氧空位与灵活的晶格畸变有助于活性氧物种(O*, OOH*)的生成与转化，从而显著提升表面反应动力学。同时，Ni/Co的协同电子调控强化了电极的表面电子导电性，为双功能反应提供了快速电子传输通道，实现了优异的催化效率与可逆性能。
要点三：展现出优异的结构稳定性与长期循环耐久性
传统钙钛矿电极在高蒸汽与高电压下易发生相变与结构坍塌，而PSNC由于其层状结构与有序氧空位分布，表现出卓越的抗应力与抗化学侵蚀能力。研究团队通过长期动态电解与燃料电池循环实验发现，PSNC在超过200小时的反复切换运行中依然保持稳定的输出电流与结构完整性。原位XRD与STEM表征进一步确认，该电极在电化学应力作用下仍维持R-P层状骨架无塌陷，揭示其在高温高湿环境下具备出色的机械/电化学耦合稳定性。
要点四：在高湿环境下实现高效稳定制氢
PSNC电极在1.16 V偏压与50%水蒸气环境中实现高达85%的法拉第效率，显示出优异的电解水制氢能力。该性能源于R-P结构独特的层间空间与可调氧空位网络，有助于快速吸附、解离与传导水分子及其反应中间体。此外，PSNC表面的高价Ni3⁺/Co3⁺活性中心在蒸汽环境中仍能保持稳定价态循环，有效抑制传统电极常见的氢腐蚀与性能衰退问题。该研究表明，结构层状化与电子态调控相结合，为开发高效耐久的电解电极提供了新方向。
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文 章 链 接
Structural transformation of oxygen electrode from perovskite to Ruddlesden-Popper for enhanced reversible hydrogen production and power generation in protonic ceramic cells
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136970212500433X
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通 讯 作 者 简 介
丁汉平教授简介：美国俄克拉荷马大学机械与航空航天工程学院助理教授、博士生导师。长期从事能源转化与储存研究，主要方向包括燃料电池、氢气制取、电催化、电化学加工及先进制造。2014年在南卡罗来纳大学获得机械工程博士学位，研究方向为中温固体氧化物燃料电池的材料合成与制备方法。此后，在科罗拉多矿业大学担任CoosTek博士后研究员，主要参与ARPA-E REBELS与NASA项目，研究甲烷燃料固体氧化物燃料电池和质子导体型SOFC/SOEC，并成功完成短电堆演示。加入俄克拉荷马大学前，在美国爱达荷国家实验室担任研究科学家，负责DOE HydroGEN联盟多项项目，专注于高温电解制氢、电极材料开发及退化机理研究。目前，丁教授建立了具备质子导体型固体氧化物电解池制备、测试与先进表征能力的实验室。目前主持多项美国能源部及国家实验室合作项目，致力于降低氢气制取成本、提升电极稳定性与制造成熟度，并在CO2电还原与高熵合金催化剂开发方面取得进展。相关成果已发表在 Nature Communications, Nature Synthesis, Nature, Advanced Materials等国际期刊。
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