合肥综合性国家科学中心能源研究院毕文团、李文明/合肥理工学院唐伟建ACB：原位析出Ru-Fe合金实现直接氨质子陶瓷燃料电池性能突破

第一作者：樊明娟

通讯作者：唐伟建*、李文明*、毕文团*

单位：合肥综合性国家科学中心能源研究院、合肥理工学院

质子陶瓷燃料电池（PCFCs）是一种可将燃料化学能直接转化为电能的装置，具有在中低温区（400–600 ℃）高效运行的突出优势，在清洁能源领域应用前景广阔。氢（H2）作为其最常用的燃料，虽反应活性高，但体积能量密度低、储运难度大，限制了其规模化应用。氨（NH3）作为一种无碳富氢燃料，具有能量密度高、易于液化储运、基础设施完善等优势，被视为理想的氢能载体。然而，将氨直接用于PCFCs时，即直接氨质子陶瓷燃料电池（DA-PCFCs），其商业化仍面临两大核心瓶颈：其一，氨分子中N–H键能高达~941 kJ mol–1，导致在中低温区分解动力学缓慢，燃料转化率不足；其二，传统Ni基阳极在氨气氛下易发生氮化，Ni0颗粒严重粗化团聚，导致阳极微结构退化和性能衰减。因此，设计一种能够在运行条件下原位形成、兼具高催化活性与结构稳定性的阳极界面，成为突破DA-PCFCs性能瓶颈的关键。

近日，合肥综合性国家科学中心能源研究院毕文团研究员、李文明副研究员联合合肥理工学院唐伟建副研究员，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy上发表题为“In-situ Exsolved Ru–Fe Alloy on Sr2Fe1.4Ru0.1Mo0.5O6–δ for Enhanced Ammonia Decomposition Activity and Durability in Protonic Ceramic Fuel Cells”的观点文章。本研究创新性地将Sr2Fe1.4Ru0.1Mo0.5O6–δ（SFRM）双钙钛矿催化层集成于传统Ni-BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ（Ni-BZCYYb）金属陶瓷阳极上，实现了电池运行条件下Ru-Fe合金（RFA）纳米颗粒的原位析出，所得纳米颗粒均匀分散且抗烧结性能优异，通过优化N*中间体吸附能显著降低氨逐步脱氢能垒，同时借助强金属-载体相互作用有效抑制Ni0粗化和有害氮化，从而协同提升阳极的催化活性与结构稳定性。结合弛豫时间分布（DRT）定量分析和密度泛函理论（DFT）计算，研究团队揭示了RFA纳米颗粒对氨分解反应路径的优化机制。这项发现为破解DA-PCFCs中氨分解活性低与阳极结构劣化两大核心难题提供了全新解决方案。

XRD证实还原后SFRM在2θ≈44.8°处出现RFA合金衍射峰，同时Rietveld精修显示晶格常数从7.859 Å收缩至7.843 Å，归因于B位阳离子还原析出及氧空位生成，还原后样品（r-SFRM）仍保持立方钙钛矿结构。SEM显示Ni-BZCYYb还原后Ni0粗化团聚，而SFRM还原后析出均匀RFA纳米颗粒。HRTEM揭示RFA呈核壳结构，核心晶格对应RFA(110)面，壳层为Fe2O3，Ru富集于核心，纳米颗粒通过强金属-载体相互作用（SMSI）牢固锚定于基体。

XPS分析表明，还原后Fe2+比例从54.5%增至60.2%，并出现归属于Fe0的微弱峰（1.2%），证实少量Fe参与RFA析出，而钙钛矿主体晶格结构未发生明显改变，还原后Ru 3p谱以金属Ru0为主，仅残留少量Ru4+，证实Ru优先从晶格中还原析出促进RFA形成。氢气程序升温还原（H2-TPR）显示，SFRM涂覆NiO-BZCYYb样品低温区（<500 ℃）H2消耗降低36%，高温区（500-800 ℃）增加87%，且Ce4+还原峰从610 ℃降至580 ℃，证实SFRM层优先还原并诱导下方阳极基底有序还原。SFRM改性单电池在700 ℃下氨燃料峰值功率密度达1.02 W cm–2，较未改性电池提升15.9%；550°C下氨分解转化率达89.75%，显著高于未涂覆样品的77.08%。DFT计算进一步揭示，RuFe（110）表面将氨逐步脱氢能垒从1.51 eV（Ni（111）第二步脱氢）降至0.22 eV，N*吸附能优化至–0.86 eV（vs. Ni（111）的–0.59 eV），从本质上证实了RFA对氨分解反应路径的优化机制。

未改性电池运行后Ni0颗粒严重粗化（从100–300 nm团聚至>1 μm），阳极/电解质界面发生明显分层。SFRM改性电池则保持界面连续完整，RFA纳米颗粒嵌入Ni-BZCYYb晶界处，有效锚固Ni0颗粒。DFT预测与实验共同证实优化的N*吸附能有利于N*快速重组脱附，从而抑制其向Ni晶格扩散形成氮化物。

“In-situ Exsolved Ru–Fe Alloy on Sr2Fe1.4Ru0.1Mo0.5O6–δ for Enhanced Ammonia Decomposition Activity and Durability in Protonic Ceramic Fuel Cells”

唐伟建，合肥理工学院新能源工程学院副研究员，2021年博士毕业于合肥工业大学（获2022年安徽省优秀博士学位论文），主要从事高能量密度电化学储能与转换系统中关键材料与器件的研究，涵盖新型离子电池、燃料电池及锂硫电池等领域，至今在Energy Storage Mater.、Appl. Catal. B Environ.、J. Energy Chem.、Chem. Eng. Sci.、J. Mater. Chem. A等国内外重要学术期刊发表论文20余篇，授权国家发明专利4项。

李文明，合肥综合性国家科学中心能源研究院副研究员，2020年博士毕业于合肥工业大学，中国电池回收利用委员会专家，中国有色金属智库认证专家。主要从事锂离子电池/燃料电池的关键材料设计与制备、光伏回收及金属分离回收等领域。近五年以通讯作者在Energy Storage Materials、Applied Catalysis B: Environment and Energy、Journal of Energy Storage等行业权威期刊发表科研论文，发明专利成果转化4项。

毕文团，合肥综合性国家科学中心能源研究院研究员，可再生中心主任，2015年博士毕业于中国科学技术大学，主要从事表界面化学与氢能转化研究，相关研究成果为突破高效、稳定、低成本氢能转化技术瓶颈提供了理论与实验支撑。近五年以通讯作者在Advanced Materials、ACS Energy Letters等国际权威期刊发表论文16篇，授权发明专利12项。