香港理工大学倪萌教授团队Small：用于质子陶瓷燃料电池（PCFC）的新型纳米复合功能材料的三重离子电子电导率的电动力学研究

第一作者：Idis Temitope Bello

通讯作者：倪萌

通讯单位：香港理工大学

高效清洁的固体氧化物燃料电池（SOFC）较高的工作温度一直是燃料电池走向商业化巨大屏障，而质子陶瓷氧化物燃料电池（PCFC）能够在较低工作温度（350oC）高效输出电化学性能，具有突出的优势。然而，低温下的氧还原反应（ORR）动力学将变得十分缓慢从而限制整体电池的电能输出。因此，开发新型高效的PCFC氧气极尤为重要。

基于此，香港理工大学倪萌教授团队采用自组装技术制备一种新型具有立方-菱面体双相结构的三重离子电子电导率（TIEC）材料，用作低温质子陶瓷燃料电池（PCFC）的高效稳定氧气极。同时深入分析了电化学反应过程中的质子吸收模式以及电动力学过程。相关成果以题为“Electrokinetic Insights into the Triple Ionic and Electronic Conductivity of a Novel Nanocomposite Functional Material for Protonic Ceramic Fuel Cells”发表在国际知名杂志Small 上。

图1 （a）在pH₂O（0-0.1-0）和恒定pO₂ （0.21）650oC时BCCFZ和BCFZY的ECR曲线；（b）BCCFZ和BCFZY在图（a）所示的电导率变化比较；（c）用于计算BCCFZ和BCFZY的质子缺陷形成焓和熵的Arrhenuis 曲线；（d）在pH₂O（0-0.1-0）和恒定pO₂ （0.21）650oC时BCZYYb的ECR曲线；（e）对称电池中BCCFZ纳米复合阴极中的质子吸收模式

图2 （a）结构为BCCFZ|BCZYYb7111|BCCFZ的对称电池在550oC，气氛为0%，2.5%和5%H₂O-空气时阻抗图；（b）对（a）中结果的DRT分析结果；（c）在650oC，气氛为2.5%H₂O-空气时BCCFZ和BCFZY对称电池的DRT 结果；（d）在550oC，气氛为2.5%H₂O时不同氧分压条件下的BCCFZ对称电池的DRT 结果；（e）以Ni-BCZYYb7111阳极和BCCFZ阴极制备的阳极支撑型单电池在H₂气氛下650-450oC下的I-V-P曲线；（f）该单电池在550oC，不同电流密度下的长期稳定测试结果。

通过自组装技术设计制备了一种成分为Ba(CeCo)_0.4(FeZr)_0.1O_3-σ（BCCFZ）的新型具有立方-菱面体双相结构的三重离子电子电导率质子陶瓷燃料电池（PCFC）纳米复合电极。该材料中有富含Co的混合离子-电子导体相BaCo_1-x-y-zCe_xFe_yZr_zO_3-σ（M-BCCFZ）和主要的富含Ce的质子传导相BaCe_1-x-y-zCo_xZr_yFe_zO_3-σ （H-BCCFZ），在不降低ORR电催化活性的同时有效传输质子载流子、氧空位和电子空穴。此外，占主导地位的H-BCCFZ以较低的-30±9kJmol^-1的质子化焓增加材料中的氧空位浓度和质子缺陷的形成和传输。

要点二：基于BCCFZ的PCFC氧气极电动力学研究

TIEC 材料中质子载流子的产生主要基于水合和氢化反应过程。在 p 型 TIEC 材料的电子电导率测量引入加湿空气时，电子缺陷浓度降低，导致总电导率低。然而，质子载流子的产生与电子空穴的消耗在一定程度上使得 TIEC 材料中的载流子（氧离子/电子空穴）实现了动态平衡。通过在水分压变化条件下的ECR等实验结果，分析了BCCFZ 在 PCFC 模式下质子吸收方式主要为氧气极的水合作用，如图1（e）所示。

要点三：稳定且高电化学输出性能低温PCFC

该氧气极材料的面积比电阻在650oC，2.5% H2O-空气气氛下仅为0.089 Ω cm²，DRT分析结果可知其电极反应过程的速控步骤为电极表面和三相线（活性反应位）处的电荷传输过程。运用该氧气极材料单电池的峰值功率密度可达1054 mW cm^-2（650oC），在550oC下能够稳定运行超过500小时，为PCFC商业化运用提供一种安全可靠高效的氧气极。

Electrokinetic Insights into the Triple Ionic and Electronic Conductivity of a Novel Nanocomposite Functional Material for Protonic Ceramic Fuel Cells，

倪萌教授团队的研究兴趣包括燃料电池、可充电金属空气电池、电化学水分解和低品位余热利用的电化学系统。倪教授担任Science、Nature Communications、Joule、Advanced Materials等80余种学术期刊的审稿人。2015-2017年担任Science Bulletin副主编。

目前，他是Sustainable Energy Technologies and Assessments (Elsevier) 和 e-Prime (Elsevier) 的高级编辑，以及 International Journal of Green Energy (Taylor & Francis) 和 International Journal of Energy Research (Wiley) 的副主编。

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