福州大学陈孔发教授ACB论文：基于纳米结构Ni基氢电极的高效稳定的无缓冲层电解质支撑固体氧化物电池- 大数跨境

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福州大学陈孔发教授ACB论文：基于纳米结构Ni基氢电极的高效稳定的无缓冲层电解质支撑固体氧化物电池

科学材料站

2024-01-22

导读：福州大学陈孔发教授ACB论文：基于纳米结构Ni基氢电极的高效稳定的无缓冲层 La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3 电解质支撑固体氧化物电池

文章信息

构筑纳米结构镍基氢电极的高效稳定的无缓冲层 La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O₃电解质支撑固体氧化物电池

第一作者：钱佳琪

通讯作者：陈孔发*

单位：福州大学材料科学与工程学院

研究背景

随着化石燃料储量的不断减少，可再生能源的有效利用和储存发挥着越来越重要的作用。固体氧化物电池（SOC）是一种应用前景广阔的高效可再生能源储存和转换装置。La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O₃(LSGM)在中温区具有比氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）高得多的氧离子电导率，因此LSGM作为中温SOC电解质材料得到广泛研究。传统的电极需在1100 ℃以上进行高温烧结，导致LSGM电解质与Ni基氢电极发生不良界面反应，同时电极的微结构明显粗化。通用的解决策略是制备掺杂氧化铈缓冲层以避免界面反应，或使用浸渍法结合低温热处理方式来抑制界面反应并同时构筑纳米结构氢电极。

本文采用了免烧方法将自组装Ni基氢电极纳米粉体直接应用于LSGM电解质，避免了氢电极与LSGM间的反应，因此无需制备缓冲层，同时免烧方法还使氢电极原料粉体的纳米结构和金属-陶瓷相互作用得到保留，提高了电极的催化活性和纳米结构的稳定性。结果表明，以免烧的纳米结构 Ni-GDC为氢电极，无缓冲层的LSGM 电解质支撑单电池获得了优异的输出性能和运行稳定性。

文章简介

近日，来自福州大学的陈孔发教授，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“High-performance, stable buffer-layer-free La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O₃electrolyte supported solid oxide cell with a nanostructured nickel-based hydrogen electrode”的文章。该文章采用了免烧法将自组装纳米Ni-Gd_0.1Ce_0.9O_1.95（GDC）复合氢电极和La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3–δ(LSCF)空气电极直接构筑到LSGM电解质上，所制备的单电池具有优异的输出性能和运行稳定性。氢电极和空气电极均无需进行高温烧结，因此无需La_0.4Ce_0.6O_2-δ（LDC）缓冲层，极大简化了电极制备工艺，同时通过施加极化电流原位构筑氢电极/电解质界面，为开发高效耐用的无缓冲层LSGM支撑型SOC提供了一种新的思路。

Fig. 1. An efficient and durable buffer-layer-free LSGM electrolyte-supported cell with a nanostructured Ni-GDC hydrogen electrode is developed using a simple and effective sintering-free electrode fabrication approach.

本文要点

要点一：简化了LSGM支撑SOC的制备工艺，构建纳米结构电极制备新途径

传统LSGM支撑型SOC的制备流程通常包含缓冲层的涂覆、电极的涂覆及相应的高温烧结过程（图2a），制备过程较为繁复，且高温烧结也使电极微结构发生严重粗化。而采用免烧方法制备电极，不但能无需制备缓冲层和烧结过程，大幅简化制备流程，而且还能充分利用纳米粉体的精细微结构及通过自组装方式构筑的多相强相互作用，为高效稳定的纳米结构电极的便捷制备提供新的途径（图2b）。

Fig. 2. Flowcharts for the preparation of electrodes of LSGM electrolyte-supported single cells via (a) a conventional high temperature sintering route and (b) a sintering-free route.

要点二：优异的电池输出性能以及稳定性

所制备的无缓冲层的Ni-GDCLSGMLSCF单电池在800 ℃的峰值输出功率密度为1.23 W cm^-2，1.5 V电解电压下获得1.85 A cm⁻²电流密度（图3a），稳定性测试过程中没有发生明显的衰减现象（图3c），而以烧结Ni-GDC为阳极的电池出现了明显衰减（图3b）。

Fig. 3. Electrochemical performance and stability of LSGM-supported single cell: (a) I–V and I–P curves, (b) galvanostatic stability testing in different ways of preparing electrodes, and (c) galvanostatic stability testing in the fuel-cell and electrolysis modes at 0.5 A cm⁻², 750 ℃

要点三：Ni-GDC电极与LSGM之间不发生明显元素相互扩散

稳定性测试后Ni-GDC电极与LSGM电解质间形成了紧密的界面接触(图4a)，同时界面处没有发生明显的元素相互扩散(图4b)，表明免烧Ni-GDC电极在测试条件下与LSGM具有良好的化学相容性。此外，GDC和LSGM及Ni和LSGM间均形成了异质界面 (图4c&4d)，验证了Ni-GDC电极/LSGM电解质界面的原位构筑。

Fig. 4. Morphologies and elemental distribution at the Ni-GDC hydrogen electrode/electrolyte interface region after stability testing in the fuel-cell mode at 800 °C for 100 h. (a) STEM image, (b) elemental mapping, (c) TEM image of the hetero-interface between GDC and LSGM, and (d) TEM image of the hetero-interface between Ni and LSGM.

要点四：揭示了极化为电极/电解质界面原位构筑的主导因素

在开路条件下退火100 h后，Ni-GDC电极很容易从电解质上剥离，裸露的电解质表面相对干净，仅残留少量电极颗粒(图5a)，这与极化后电解质表面残留大量电极颗粒的现象明显不同(图5b)，表明极化电流在Ni-GDC/LSGM界面原位构筑过程中起到主导作用。

Fig. 5. SEM images of surfaces of LSGM electrolyte in contact with the Ni-GDC hydrogen electrodes after the separation of the Ni-GDC electrodes annealed at 750 °C for 100 h: (a) under open circuit conditions, and (b) under polarization conditions in the fuel-cell mode at 0.5 A cm⁻², 750 °C.

文章链接

“High-performance, stable buffer-layer-free La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O₃electrolyte supported solid oxide cell with a nanostructured nickel-based hydrogen electrode”

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.123742

通讯作者简介

陈孔发教授：博导、福州大学材料表界面研究所所长、材料学院材料表界面研究所执行所长、院长助理、可持续能源系主任。长期从事固体氧化物燃料电池的研究和开发。主持多项国家级和省部级纵向科研项目和企业横向项目。在Electrochem. Energy Rev.、Appl. Catal. B-Environ.、Small等国内外重要期刊发表SCI论文180余篇，总引用4200余次，H因子37，授权中国发明专利13件。入围2023年Elsevier全球前2%顶尖科学家“终身科学影响力”和“年度科学影响力”榜单。

第一作者简介

钱佳琪：福州大学2022级在读博士研究生。研究方向为固体氧化物电池。