张林娟研究员， AFM观点：双相电极材料实现多尺度协同调控，显著提升可逆质子陶瓷燃料电池性能与长期稳定性

第一作者：朱健秋

通讯作者：张宇轩*，张林娟*

单位：中国科学院上海应用物理研究所

可逆质子陶瓷电池（RePCC）是一种能够实现燃料电池模式（发电）与电解池模式（制氢）高效可逆运行的新型能源转换装置，对构建清洁能源体系具有重要意义。然而，其商业化进程一直受空气电极材料性能的限制。传统钴基钙钛矿材料（如BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1O_3−𝛿, BCFZY）虽具备良好的电催化活性，但仍存在氧空位浓度有限、表面氧交换动力学缓慢等问题。因此，开发兼具高电化学活性和长周期运行稳定性的空气电极成为当前研究的重点。

近日，来自中国科学院上海应用物理研究所的张林娟研究员，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Atomic-to-Nanoscale Cerium Engineering Enables Synergistic Dual-Phase Electrodes for High-Performance Reversible Protonic Ceramic Cells”的研究文章。该研究基于BCFZY材料，通过原子与纳米尺度的协同设计，成功合成Ce掺杂的BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1Ce_0.1O_3−𝛿 (BCFZYC–CeO₂)复合双相电极材料。该材料同时实现了原子尺度的晶格掺杂与纳米尺度的第二相复合，两相协同作用显著增强了氧表面交换与体相传输动力学，从而全面提升电极综合性能。

借助X射线吸收谱（XAS）和X射线光电子能谱（XPS）对材料的电子结构与元素化学态进行深入研究。Co-K边和Fe-K边的近边吸收谱显示吸收边向低能方向移动，表明Ce的引入降低了Co、Fe的价态。扩展边的拟合显示Co-O配位数减少约10%，氧空位浓度显著提高。XPS定量分析表明Co平均价态从+3.22降至+3.13，同时表面高活性氧物种比例显著提升。

燃料电池发电模式下，BCFZYC–CeO₂电极在650°C时峰值功率密度达到1.15 W·cm^-2，比BCFZY电极（0.75 W·cm^-2）提高53%；在电解模式下，1.3V电压下的电流密度为-1.47 A·cm^-2，较BCFZY（-1.30 A·cm^-2）提升13%，表明BCFZYC–CeO₂电极在两种模式下均具有更优越的电化学性能。BCFZYC–CeO₂在600°C、0.5 A·cm^-2下连续运行超过230小时，电压衰减率仅为0.02%/小时，远低于同样条件下测试的BCFZY电极，表现出了优异的稳定性。对比长期稳定性测试后电池横截面的SEM图像，BCFZYC–CeO₂电极与电解质界面结合完好，而BCFZY电极则出现了明显裂纹，表明BCFZYC–CeO₂电极同样具有更好的热机械稳定性和界面相容性。

本研究不仅开发出一种高性能电极材料，更提出了一种多尺度协同调控的材料设计新策略（原子掺杂与纳米复合相结合）。该策略成功实现了催化活性与界面稳定性的同步提升，解决了传统电极材料难以兼顾高活性与长寿命的难题，为发展下一代高性能、高稳定性可逆质子陶瓷电池及相关能源转换器件提供了新方向，具有重要的科学意义与应用前景。

Atomic-to-Nanoscale Cerium Engineering Enables Synergistic Dual-Phase Electrodes for High-Performance Reversible Protonic Ceramic Cells

张林娟，中国科学院上海应用物理研究所，研究员。能源材料与化学研究部主任。