福州大学陈孔发CEJ：纳米复合空气电极的体相-界面协同工程：面向高效耐用的固体氧化物电池

第一作者：陈志逸、张海鹏

通讯作者：赵凌*，邵宗平*，陈孔发*

单位：福州大学，科廷大学，海南大学

由于世界面临不断增长的能源需求和迫于化石燃料对环境造成的沉重代价，全球能源向太阳能和风能等可持续能源的转型已刻不容缓，而实现这一转型取决于高效的能量转换与存储技术能否取得突破。固体氧化物电池（SOC）作为高效的能源转换与存储装置，在实现清洁能源高效利用方面展现出巨大潜力。在SOC中，提升电催化性能通常依赖于增加电极材料中的氧空位浓度。然而，在La0.6Sr0.4CoO3−δ（LSC）等先进的含Sr钙钛矿空气电极中，高氧空位浓度可能引发与晶格中Sr阳离子的不利静电相互作用，从而加速Sr的偏析并导致性能衰减。因此，依赖调控氧空位的策略始终面临固有的活性与稳定性之间的权衡问题。

近日，福州大学陈孔发教授联合海南大学赵凌教授与科廷大学邵宗平教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal 上发表题为“Bulk-interface synergetic engineering of nanocomposite air electrode toward durable and high-performance solid oxide cells”的研究论文。该研究提出了一种新颖的体相-界面协同工程策略，通过低温自组装合成与免烧电极制备技术，成功构建了由Sr缺位LSC、SrCoO2.5和SrCO3组成的多相纳米复合空气电极。研究结果表明，LSC与SrCoO2.5/ SrCO3间形成的异质界面诱导LSC晶格产生拉伸应变，显著提升了表面氧空位浓度，从而极大增强了电极的氧还原和氧析出反应活性。与此同时，LSC体相中固有的Sr缺位有效抑制了Sr元素向表面的偏析，弥补了因氧空位增加带来的稳定性风险。基于该复合电极的单电池在750 °C下展现出优异的输出性能（峰值功率密度达2.02 W cm−2，电解模式下1.3 V时电流密度达1.92 A cm−2），并在长时间运行和热循环测试中表现出卓越的稳定性。该工作通过巧妙的体相-界面协同设计，成功解耦了传统空气电极中活性与稳定性间的矛盾，为开发下一代中温SOC高性能空气电极提供了新的思路

通过调整煅烧温度，研究团队发现，与传统高温煅烧（950 °C）得到的单一LSC钙钛矿相不同，在850 °C低温下合成的LSC-850粉末形成了由Sr缺位LSC主相、SrCoO2.5和SrCO3组成的多相纳米复合结构（图1a）。XRD精修和STEM-EDS表征证实，LSC-850中的LSC相存在A位Sr缺位（图1e），并且LSC与第二相之间形成了紧密的LSC/SrCoO2.5和LSC/SrCO3异质界面，并诱导LSC产生了拉伸应变（图1c，f，g，h）。

相比于单相LSC-950，LSC-850不仅具有更丰富的表面氧空位（图2a），还在Sr偏析温度窗口内展现出优异的热力学稳定性，有效抑制了Sr向表面的偏析（图2b，c）。同时，LSC-850具有更小的颗粒尺寸和更大的比表面积，有利于提供更多的活性反应位点（图2d）。热膨胀系数测试结果表明，LSC-850的热膨胀系数显著低于LSC-950，这归因于低热膨胀系数相SrCoO2.5的引入及其与LSC形成的紧密异质界面，从而有效改善了电极与电解质的热匹配性（图2e）。此外，LSC-850具有更高的烧结活性，使其电极电导率也更高（图2f）。

对称电池测试结果表明，LSC-850电极性能的提升主要归因于氧表面交换能力的增强（图3f），且该电极在450–750 °C间经历20次热循环测试后，电流密度衰减率仅为1.4%，远低于LSC-950电池的23.7%，展现出优异的抗热冲击能力（图3g，h）。进一步地，将LSC-850作为空气电极，采用免烧工艺直接组装于单电池中，在750 °C下，该电池在燃料电池模式下的峰值功率密度高达2.02 W cm−2，在电解模式下1.3 V时的电流密度达到1.92 A cm−2，均远高于传统单相LSC-950电极的0.92 W cm−2和1.14 A cm−2（图4b）。在750 °C下进行的100 h恒流稳定性测试中，无论是在燃料电池模式还是电解模式下，LSC-850单电池的稳定性均显著优于LSC-950单电池（图4e）。

结合实验与DFT计算，研究揭示了体相-界面协同增强的内在机制。一方面，LSC/SrCoO2.5和LSC/SrCO3异质界面显著降低氧空位形成能，从而增强催化活性（图5b）；另一方面，LSC体相中固有的Sr缺位有效提高了Sr的偏析能，从热力学上抑制了Sr向表面的偏析，抵消了因异质界面而加剧的偏析趋势（图5c）。在体相与界面的协同作用下，LSC-850电极实现了催化性能与运行稳定性的同步提升。

Bulk-interface synergetic engineering of nanocomposite air electrode toward durable and high-performance solid oxide cells”

陈孔发教授简介：福州大学材料科学与工程学院教授、博导。主持10余项国家级、省部级及横向项目。在Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B、Electrochem. Energy Rev.等期刊发表SCI论文200余篇，引用6600余次，H因子47；授权中国发明专利20件。连续入选全球前2%顶尖科学家“终身科学影响力榜单”和“年度科学影响力榜单”。

邵宗平教授简介：科廷大学（Curtin University）教授，博士生导师。曾任南京工业大学教授、材料化学工程国家重点实验室副主任。主要研究方向为固体氧化物燃料电池、质子交换膜水电解、电催化材料、混合导体膜。在Nature、Science、Nature Energy、Nature Communications、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition等期刊发表论文600余篇，引用超过5.5万次，H因子120。连续多年入选科睿唯安全球高被引科学家。曾获国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖等荣誉。现任Materials Reports: Energy副主编。

赵凌教授简介：海南大学海洋科学与工程学院教授，博士生导师，研究方向主要为固体氧化物燃料电池/电解池、二氧化碳还原、海洋资源/能源转化利用。以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Adv. Sci. ，Adv. Funct. Mater. 等杂志发表SCI论文90余篇，H因子为40。

陈志逸：福州大学化工学院博士后，研究方向为固体氧化物燃料电池，主持国家自然科学基金青年项目（C类）、安徽省重点实验室开放基金等项目3项；以第一/共一/通讯作者在Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B-Environ.、Chem. Eng. J. 等期刊发表SCI论文9篇；申请中国发明专利3件；撰写学术专著1章。

张海鹏：福州大学2023级在读博士研究生，研究方向为固体氧化物燃料电池。以第一/共一作者在Adv. Funct. Mater. 、Chem. Eng. J.等期刊发表SCI论文3篇。