武汉科技大学 马奔副教授、周盈科教授，Nano Letters观点：高熵效应提高纳米结构阴极在SOFC运行条件下的长期稳定性

第一作者：陈朝辉

通讯作者：马奔*，周盈科*

单位：武汉科技大学

固体氧化物燃料电池（SOFCs）中，开发能够保持高性能和长期稳定性的阴极材料仍然具有挑战性。溶液浸渍法是一种成熟调控阴极微观结构的制备方法，可通过精细调控阴极微观结构显著提升其电化学性能。该方法主要包含两个关键步骤：（1）构建三维互联多孔骨架基体；（2）将金属硝酸盐前驱体溶液浸渍至骨架孔隙内，然后通过优化浸渍量和控制热处理过程，最终形成纳米颗粒均匀分布的多孔复合结构。这种优化后的结构，可提供丰富的三相界面（TPBs），从而显著提升阴极对氧还原反应（ORR）的催化活性。然而，通过这种方法制备出的纳米结构阴极面临一个关键问题，即在SOFC工作条件下纳米颗粒容易团聚并长大，导致电池性能退化。设计高熵氧化物并利用其具有的独特熵稳定性，能使纳米阴极在高温工作环境下维持结构稳定性，为提高SOFC的长期运行性能提供一种可行的解决方案。

基于此，来自武汉科技大学的马奔副教授与周盈科教授，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“High-Entropy Spinel Oxide Nanostructures as Stable Cathodes for Solid Oxide Fuel Cells”的文章。该文章提出高熵设计结合纳米结构工程的策略，开发新型高熵尖晶石氧化物阴极材料。

图1. 浸渍过程的示意图。

通过A位引入多种金属元素（Mg、Fe、Co、Ni、Cu），形成高构型熵，降低体系自由能，抑制高温时的原子扩散和相分离，提升结构稳定性。与此同时，多元金属混合引入的晶格畸变、表面高价金属阳离子和丰富的表面氧空位，有利于阴极电化学性能的提升。

要点二：浸渍法优化微观结构

采用浸渍法将高熵尖晶石氧化物纳米颗粒均匀负载于多孔GDC骨架表面，扩大了三相界面（TPB），降低阴极极化电阻（800°C下0.12 Ω·cm²），同时避免过量负载导致的孔隙阻塞问题，显著提高了电化学活性。

要点三：卓越电池性能与良好稳定性的平衡

30%负载量的（Mg_0.2Fe_0.2Co_0.2Ni_0.2Cu_0.2）Fe₂O₄（MFCNCF）性能最佳，800℃时最大功率密度为1063.94 mW/cm²。与传统CoFe₂O₄比较，由于MFCNCF多样化的表面金属阳离子促进氧吸附/解离，最大功率密度提高了31%。此外，在750℃恒电压（0.5V）下运行240小时，性能衰减可忽略不计。尖晶石氧化物阴极中的高熵效应引入晶格畸变和无序应力场，抑制原子扩散，可防止纳米颗粒高温粗化。因此，这种结合高熵设计与纳米结构工程的新策略，为开发稳定高效的SOFC阴极材料提供了新思路。

图2. （a）i-30CoFe₂O₄-GDC阴极；（b）i-30MFCNCF-GDC阴极在650至800 ℃的I-V-P曲线；（c）在750 ℃恒定电压下，i-30CoFe₂O₄-GDC和i-30MFCNCF-GDC阴极的长期稳定性。

“High-Entropy Spinel Oxide Nanostructures as Stable Cathodes for Solid Oxide Fuel Cells”

马奔副教授简介：2015年博士毕业于华中科技大学材料科学与工程专业，师从华中科技大学材料科学与工程系李箭教授。现为武汉科技大学理学院材料物理专业副教授。长期从事储能材料和能源转换材料的研究和开发。近年来，已作为项目负责人完成国家自然科学基金青年基金项目1项，2项湖北省自然科学基金项目，作为项目骨干参与完成了1项国家自然科学基金面上项目。以第一和通讯作者身份在《Nano Letters》、《Ceramics International》、《Journal of the European Ceramic Society》、《Journal of Power Sources》、《International Journal of Hydrogen Energy》和《Journal of Materials Chemistry A》等学术刊物上发表多篇研究论文。至今已发表论文20余篇。

陈朝辉，武汉科技大学协同创新中心硕士研究生，导师马奔副教授，主要从事固体氧化物燃料电池阴极材料的设计及阴极反应机理研究，迄今以第一作者身份（含导师一作）在Journal of Power Sources、Journal of Materials Chemistry A、Nano Letters、Journal of Alloys and Compounds等期刊发表文章4篇。