北京理工大学CEJ：利用局域晶格应变打造高活性燃料电池阴极

第一作者：于晓丹

通讯作者：王振华*

单位：北京理工大学

固体氧化物燃料电池（SOFCs）凭借其出色的效率和对环境的友好性，成为了备受关注的能源技术。然而，传统SOFCs在高温下运行所带来的高昂成本和耐久性问题是其发展过程中的一大障碍。因此，降低SOFCs的运行温度被视为推动其进一步发展的一个关键方向。然而，这一改变却带来了新的挑战：许多SOFC阴极材料在低温下的催化反应活性显著降低，这主要归因于氧还原反应（ORR）高度依赖于热激活过程。针对这一问题，提升催化活性的核心在于加快ORR过程中的表面氧交换速率并优化整体的氧迁移效率。

ABO₃型钙钛矿氧化物，例如Pr_1-xSr_xCo_1-yFe_yO_3-δ，因其结构中氧空位和电子空穴的共存而表现出独特的混合离子-电子导电性，因此在阴极设计中得到了广泛应用。为了进一步增强ABO₃型钙钛矿氧化物的电化学活性，已有大量研究对其进行改性，但关于晶格应变如何影响氧离子迁移的研究仍相对较少。

基于此，北京理工大学的王振华教授，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Localized Lattice Strain in Perovskite Oxides for Enhanced Oxygen Reduction Reaction Kinetics in Solid Oxide Fuel Cells”的研究论文。本研究通过构建局部晶格应变来阐明其对氧还原反应（ORR）动力学的影响机制。选择Pr_0.4Sr_0.6Fe_0.5Co_0.5O_3-δ（PSFC）作为目标材料，并引入等价元素镓（Ga）形成Pr_0.4Sr_0.6Fe_0.4Co_0.5Ga_0.1O_3-δ（PSFCG）。镓的不均匀分布破坏了PSFC的长程有序性，B-O键共价性的差异诱导了局域晶格微应变。应变位点的尺度有效减小，异相的失配容纳能力增强，构建形成富Ga与缺Ga相的三维局部应变簇。得益于这种微应变，应变处电子构型重新排列，有效降低了相邻Fe(Co)-O键的键能，促进了ORR过程中氧的解离和迁移。这表明局部应变工程是提升阴极材料电催化活性和稳定性的有效策略。该研究为进一步优化SOFC阴极材料提供了新的思路和方法

通过深入分析PSFCG粉末的微形貌与相结构，验证局部晶格微应变设计的概念。发现Ga元素的不均匀分布导致约1.5%的无序晶格应变，该应变在高温下保持稳定，有望提升材料的氧表面交换与本体传输性能。

图1 TEM与XRD分析

要点二：局部晶格应变提升氧传输性能

局部晶格应变的引入显著提升了氧交换与传输能力。实验显示，PSFCG的氧空位与氧吸附量增加。此外，Ga的引入降低了金属氧键能，PSFCG在氧分压突变时更快达到新平衡，具有更高的氧表面交换系数和体相氧迁移系数。

图2 氧离子传导性能分析

要点三：应变对氧离子迁移的促进作用

通过DFT计算，我们发现镓掺杂和应变能显著降低PSFC和PSFCG结构中Fe(Co)-O键的键能使得氧离子在无序应变微域中迁移能垒更低，传输阻力更小。

图3 体相氧迁移能力提升机制

要点四：电化学性能和耐久性评价

应变微域的引入降低了阴极的电化学反应活化能，提高了电化学反应动力学。作为阴极的全电池表现出高功率密度和良好稳定性。

图4 电化学性能分析

要点五：抗CO₂毒化能力提升

在CO₂环境中，含Ga的材料（PSFCG）形成的碳酸盐更少，且CO₂吸附量更低。电化学测试显示，PSFCG在高浓度CO₂下阻抗增长小，表现出更高的稳定性。这归因于微应变抑制氧空位有序化和Ga提高材料表面酸性，从而显著减少CO₂吸附与毒化。

图5 抗CO₂毒化能力分析

Localized Lattice Strain in Perovskite Oxides for Enhanced Oxygen Reduction Reaction Kinetics in Solid Oxide Fuel Cells