倪萌教授、Francesco Ciucci教授，Advanced Materials新策略加速ORR/OER电催化活性

第一作者：陈希（Xi CHEN）

通讯作者：倪萌（Meng NI）, Francesco Ciucci

单位：香港理工大学（The Hong Kong Polytechnic University），香港科技大学（The Hong Kong University of Science and Technology）

可逆质子陶瓷电化学电池(R-PCECs)是一种高效清洁的能源转换和存储电化学技术。得益于较低的质子迁移活化能(0.4-0.6 eV)，全固态R-PCECs能够在中低温度下实现高效运行，有效延长了电池的使用寿命和降低了生产和运行成本。然而，空气电极在较低工作温度下缓慢的氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)动力学是限制R-PCECs电化学性能的痛点问题。为应对这一挑战，本文提出了一种同时优化体相金属-氧键和原位生成金属氧化物纳米催化剂表面修饰的新方法，从而显著加速具有三重导电性（O₂^-，H⁺，e^-）空气电极的ORR/OER电催化活性。

近日，香港理工大学的倪萌教授与香港科技大学的Francesco Ciucci教授合作，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Synergistic Bulk and Surface Engineering for Expeditious and Durable Reversible Protonic Ceramic Electrochemical Cells Air Electrode”的文章。该研究提出了一种同步优化钙钛矿氧化物表面反应位点和体相氧离子/质子迁移的新方法，以增强R-PCECs双功能空气电极的ORR/OER催化活性和稳定性。这为实现高性能R-PCECs空气电极提供了一种实际可行的设计新策略，有望加速高效能量转换和存储技术的发展。

文章介绍了一种同时优化空气电极体相金属-氧键和原位形成金属氧化物纳米催化剂表面修饰的新方法。具体的是，在钙钛矿氧化物的O位和B位同时引入F阴离子和Ni金属阳离子，较大电负性的F离子（χ = 3.98）具有更强的电子吸引能力，当其占据晶格中的氧位时，会降低氧的价电子密度，削弱B位离子和氧离子之间的库仑力，从而使得晶格内的金属-氧化学键弱化。与此同时，具有较低结合能的Ni-O在弱化的金属-氧键合条件下会更容易的从母体材料原位生长，实现催化剂体相和表面的协同优化。

得益于体相内活化的金属-氧键和表面原位生成的NiO纳米颗粒，改性的空气电极材料展现了显著增强的体相离子传输和表面交换动力学。具体的是，改性材料能够更容易和产生更多氧空位，有利于O₂^-/H⁺在电极表面和体相内的传输过程。表面生成NiO纳米催化剂增强了空气电极表面对O₂/H₂O（气态）的吸附能力，从而加速了气体表面交换生成活性中间产物的过程。

本文所设计的纳米复合空气电极Ba(Co_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1)_0.95Ni_0.05F_0.1O_2.9-δ (N-BCFZYNF)展现了显著提升的ORR/OER催化活性。对称电池结果表明，在600 oC其ASR（area-specific resistance）值从母体材料的0.264 Ω cm2显著降低到了0.165 Ω cm²，且在300小时内保持稳定运行。此外，利用新型N-BCFZYNF空气电极组装的R-PCEC在燃料电池模式和电解池模式的电化学性能都得到了显著提升。在不同电流密度下进行的发电和制氢循环操作进一步证明了N-BCFZYNF催化剂作为R-PCEC空气电极时的高适用性和耐久性。

Synergistic Bulk and Surface Engineering for Expeditious and Durable Reversible Protonic Ceramic Electrochemical Cells Air Electrode

Article DOI: 10.1002/adma.202403998

陈希（Xi CHEN）: 本科和硕士毕业于武汉大学，目前为香港理工大学博士研究生，主要研究领域为质子陶瓷燃料电池和电解池。