北理工王振华教授、孙克宁教授 ACS Energy Letters：原位构建纳米异质结构催化材料促进SOFC氧还原反应

第一作者：于晓丹

通讯作者：王振华*，孙克宁*

单位：北京理工大学

固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs）是一种将化学能直接转化为电能的全固态陶瓷能量转换装置，具有燃料适应性强、污染排放低以及能量转换效率高等优点，在分布式发电站、汽车辅助电源和家庭热-电联供等领域具有广阔的应用前景。

在我国“双碳目标”的背景下，燃料电池技术作为继水力、火力和核能之后的第四代发电技术，是加快推动我国能源技术结构转变的利器。

其中，阴极作为SOFCs的关键材料，对电池的输出性能与寿命起到决定性因素。但氧电极侧缓慢的氧还原反应（Oxygen reduction reaction, ORR）始终制约了中低温SOFCs的商业化发展，因此开发催化活性更高的阴极材料是当前亟待研究的课题。构建异质界面以促进界面氧还原与内部氧传导，对新型阴极材料的开发具有重要意义。

基于此，来自北京理工大学的孙克宁教授与王振华教授在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“In Situ Self-Reconstructed Nanoheterostructure Catalysts for Promoting Oxygen Reduction Reaction”的研究文章。

该工作通过原位复合的方式构建了钴铁尖晶石与钙钛矿的复合材料，并通过理论与实验结果揭示了异质界面的构建促进了表面氧吸附，母相钙钛矿发生的晶格畸变改善了内部氧离子的传输，从而实现更高的氧还原反应速率，提高电池性能。

在A缺位(Pr_0.4Sr_0.6)_0.95Co_0.2Fe_0.8O₃ (PSFC)材料的基础上，经还原后原位析出钴铁合金，再次氧化将表面的钴铁合金氧化为钴铁尖晶石，得到钙钛矿与尖晶石的复合材料（sp-PSFC）。纳米尺寸的尖晶石仅仅嵌入钙钛矿中，不仅大大改善了机械混合等复合方式的缺陷，也使钙钛矿发生晶格畸变，协同改善了材料的催化活性。

图1. 复合材料高分辨TEM(a, b, c)，EDX(d, e)，XPS(f, g, h)。

要点二：氧还原与传输机制

实验结果显示复合材料的表面氧交换速率和体相氧传输速率均得到提高，这得益于表面钴铁尖晶石与钙钛矿所形成的异质界面处发生电子重构，使表面活性位点增多，氧吸附能降低；其次体相发生的拉伸应变削弱了金属-氧键能，体相中产生更多的氧空位，氧的迁移空间扩张，迁移路径上的相互作用降低。

图2. 单相钙钛矿材料(PSFC)与复合材料(sp-PSFC)的O2-TPD(a), TG(b), 氧表面交换速率(c), 氧气表面吸附能(d)以及氧还原反应示意图(e, f).

要点三：优异的电化学性能

相比于单相钙钛矿，复合材料具有更低的阻抗值，作为阴极展现出更高的功率密度。这主要得益于异质界面对氧还原反应决速步反应速率的提升，提供了额外的活性位点和通路，使更多的氧离子在阴极测产生并快速传输。

图3. PSFC与sp-PSFC的电化学性能.

In Situ Self-Reconstructed Nanoheterostructure Catalysts for Promoting Oxygen Reduction Reaction

投稿请联系contact@scimaterials.cn