广州大学黄埔氢能源创新中心叶思宇院士团队AEM综述：质子陶瓷燃料电池阴极材料的未来发展之路在何方？

第一作者：汪宁

通讯作者：杜磊*，袁保印*，叶思宇*

单位：广州大学，华南理工大学，北海道大学，河北大学

氢能的高效利用，有助于“碳达峰、碳中和”这一目标的有效实现。燃料电池作为直接使用氢能发电而不产生任何碳排放的器件备受青睐。目前，常见的燃料电池按照工作温度可分为低温质子交换膜燃料电池(PEMFC; ＜200℃)和高温固体氧化物燃料电池(SOFC; ＞800℃)。然而两类燃料电池均存在短板：由于工作温度较低，PEMFC通常需要使用大量贵金属催化剂；SOFC工作温度较高，不需要使用贵金属催化剂，但其寿命受到严重制约。

可在中温区域(400-700℃)工作的质子陶瓷燃料电池(PCFC)既不需要贵金属催化剂，又可实现较高的能量转换效率（热电联供等），近年来备受瞩目。与PEMFC、SOFC相比，PCFC工作原理有所不同。PCFC阴极三相界面的构筑需要同时实现质子、氧离子和电子的传导，是限制其电化学性能发展的关键因素。在有关PCFC的报道中，阴极材料的研发占据半壁江山。

目前，根据离子传导类型，阴极材料主要分为三大类：氧离子/电子传导型氧化物，质子-氧离子/电子传导型复合氧化物，质子/氧离子/电子传导型氧化物。据此，本文综述了PCFC的三类阴极材料的最新进展、并提出了展望。

本文中，广州大学黄埔氢能源创新中心叶思宇院士、杜磊副教授、汪宁博士和华南理工大学袁保印博士等人在Adv. Energy Mater. 上发表了题为“Advanced Cathode Materials for Protonic Ceramic Fuel Cells: Recent Progress and Future Perspectives（DOI: 10.1002/aenm.202201882）”的综述论文。

该文指出了质子传导在PCFC阴极材料中的重要性，综述了PCFC的三类阴极材料的最新进展，同时系统比较和分析了三类阴极材料在实际PCFC器件中的电化学性能。在该文最后，给出了质子陶瓷燃料电池及其阴极关键材料面临的挑战，并提出将AI技术应用至质子陶瓷燃料电池及其关键材料开发的美好前景。

本文介绍了质子引入和传导机理，总结了目前典型的三类水化反应机理(图1)，并且系统性地分析了质子引入和传导机理的影响因素，如电负性、氧空位、相结构、外界气氛、离子半径等。

图1. 目前已知的三种水化反应类型。

要点二：PCFC质子传导型阴极材料的关键进展

本文总结了PCFC的三类阴极材料氧离子/电子传导型氧化物，质子-氧离子/电子传导型复合氧化物，质子/氧离子/电子传导型氧化物的发展情况。介绍了不同质子/氧离子/电子传导型氧化物的质子引入和传导情况。同时，指出了PCFC质子传导型阴极材料近十年的重要进展(图2)。

图2. PCFC质子传导型阴极材料近十年的重要进展。

要点三：三类阴极材料在PCFC中的应用

本文总结并对比了三类阴极材料应用于PCFC时，其功率密度、极化电阻，寿命等电化学性能情况(图3d)，并且分析了其电化学性能差异的原因(图3a-c)。

图3. 三类阴极材料应用于PCFC的反应机理图(a-c)及其(d)功率密度对比图。

要点四：从热力学角度分析质子/氧离子/电子传导型氧化物面临的挑战

本文总结了质子/氧离子/电子传导型氧化物的质子引入量与电解质的差距(图4a)，总结了质子引入量与吉布斯自由能的关系(图4b-d)，并且从焓变和熵变为切入点分析了二者质子引入量存在差异的原因。

图4. (a)质子/氧离子/电子传导型氧化物的质子引入量与电解质的差距。(b-d)质子引入量与焓变、熵变以及吉布斯自由能的关系。

要点五：展望

本文展望了高效阴极材料和PCFC的发展方向，并且提出了AI辅助PCFC关键材料及高效PCFC设计的美好前景。

Advanced Cathode Materials for Protonic Ceramic Fuel Cells: Recent Progress and Future Perspectives

杜磊，广州大学副教授，广东省杰出青年基金获得者。博士期间曾赴美国华盛顿州立大学和太平洋西北国家实验室联合培养，2017年于哈尔滨工业大学获得工学博士学位。随后在哈尔滨工业大学担任助理教授，并在加拿大国家科学研究院（Institut National de la Recherche Scientifique）进行博士后研究工作。目前主要研究方向是电催化与电催化剂，反应机理及器件。

袁保印，2020年博士毕业于日本北海道大学，现为华南理工大学数学学院助理研究员/博士后，主要研究方向是应用统计学、计算数学、机器学习等，致力于跨学科的数学建模与数据分析。

叶思宇，加拿大工程院院士，广州大学特聘教授，博士生导师，黄埔氢能源创新中心负责人和首席科学家，广东省省长经济顾问，广东省政府新能源汽车产业创新发展咨询委员会燃料电池汽车领域专家组组长，广东省氢能技术重点实验室第一届学术委员会主任，先进能源科学与技术广东省实验室云浮分中心学术委员会主任，加拿大不列颠哥伦比亚大学、滑铁卢大学、华南理工大学、南方科技大学兼职教授，厦门大学、西南交通大学名誉教授，中国科学院广州能源研究所客座研究员，鸿基创能科技（广州）有限公司副董事长兼首席技术官。

汪宁，2020年博士毕业于日本北海道大学，随后加入广州大学叶思宇院士课题组，主要研究方向为质子陶瓷电池关键材料、电催化、压电材料等。

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