北科大赵海雷教授JMCA，自组装共格结构提升中低温SOFC阴极ORR性能- 大数跨境

首页

北科大赵海雷教授JMCA，自组装共格结构提升中低温SOFC阴极ORR性能

科学材料站

2022-01-25

导读：该研究文章中报道了在A位双钙钛矿PrBaCo2O5+δ（PBC）与Gd0.1Ce1.9O2-δ（GDC）之间通过自组装构建共格界面。

文章信息

自组装共格结构提升中低温SOFC阴极ORR性能

第一作者：张旸

通讯作者：赵海雷*

单位：北京科技大学

研究背景

固体氧化物燃料电池（Solid oxide fuel cells, SOFCs）是一种将燃料与氧化剂的化学能直接转化为电能的转化装置，与其它燃料电池相比，具有能量转化效率高、燃料适应性强（可使用碳氢燃料）、无噪音、清洁低污染等优点。传统SOFCs的操作温度通常在800 °C以上，长期工作后会出现界面反应、元素扩散、密封失效等问题，因此降低工作温度是提高SOFC长期服役性能的重要方面。然而，随着操作温度的降低，阴极极化阻抗会急剧增加，降低电池的输出功率。因此，开发中低温条件下具有高氧还原活性的阴极材料具有重要意义。

A位双钙钛矿PrBaCo₂O_5+δ（PBC）是一类电导率和催化活性非常优秀的阴极材料，但由于其层状结构特点，氧离子在该结构中的传输呈现各向异性，这种传输特性不利于氧离子在随机取向分布的电极颗粒之间的传输，进而影响电极反应速率，特别是低温下的电极反应动力学。引入立方结构的氧离子导电相（e.g., 萤石相），可以协助氧离子在不同取向PBC颗粒间传输，两相间形成共格界面，可减小颗粒间传输阻力。这些效果共同促进阴极氧还原反应动力学。

燃料电池左右滑动查看更多

文章简介

基于此，来自北京科技大学的赵海雷教授，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Enhanced oxygen reduction kinetics of IT-SOFC cathode with PrBaCo₂O_5+δ/Gd_0.1Ce_1.9O_2-δ coherent interface”的研究文章。

该研究文章中报道了在A位双钙钛矿PrBaCo₂O_5+δ（PBC）与Gd_0.1Ce_1.9O_2-δ（GDC）之间通过自组装构建共格界面。文章对两相材料的结构特征、热膨胀行为进行了分析，对电极反应机理进行解析，并对PBC-xGDC作为SOFC阴极的性能进行了表征。

图文摘要：PBC/GDC共格界面增强IT-SOFC阴极氧还原动力学

本文要点

要点一：自组装PBC/GDC构建共格结构

本文通过一锅法自组装合成了具有共格界面的PBC-GDC两相材料。通过XRD显示了具有良好结晶特性两相材料的合成，通过高分辨透射电镜观察到两相之间的共格界面。根据晶格条纹及原子簇间距确定GDC晶格以绕y轴旋转45°的方式与PBC的（100）/（010）面形成共格结构。

图1. （a）PBC-xGDC的XRD图谱；（b）PBC与GDC晶体取向关系示意图；（c，d）PBC与GDC界面的高分辨透射电镜图。

要点二：共格异质界面提高材料氧表面交换能力，减小极化阻抗

研究发现，具有共格界面的异质结构可以显著提高材料的氧表面交换能力，减小对称电池极化阻抗。GDC的引入可以帮助其他方向传递的氧离子进入PBC的快速氧离子通道，提高氧表面交换能力；但过多的GDC会覆盖PBC表面，导致氧表面交换系数降低、极化阻抗增大。

图2. （a）不同温度下k_chem与GDC含量的关系图；（b）不同GDC含量样品中氧离子传输路径示意图。

图3. （a）不同温度下极化阻抗与GDC含量的关系图；（b）750 °C时PBC-xGDC复合电极的交流阻抗谱。

要点三：电极反应动力学过程解析

本文研究了对称电池在不同氧分压下的交流阻抗谱，并通过阻抗弛豫时间分布（Distribution of relaxation times, DRT）技术定量解析电极反应动力学过程，明确了四个主要电极反应过程，其中共格界面的引入显著促进电荷转移过程的进行（具体为O^-离子得到另一个电子转变为O^2-离子过程）。

图4. 750 °C，不同氧分压下对称电池交流阻抗谱（a）及对应的DRT图谱（b）；（c）PBC-GDC复合阴极氧还原反应示意图；（d）PBC-10 wt.%GDC在不同温度下的氧分压极化阻抗关系图。

要点四：PBC-GDC阴极具有良好催化活性

本文以PBC-xGDC为阴极组装电解质支撑型SOFC，进一步研究了材料在全电池中的电化学特性。850 °C时，构型为Ni-GDC/LDC/LSGM（300 μm）/PBC-10 wt.%GDC的电解质支撑全电池，其最大输出功率为1302 mW cm^-2。

由于共格界面附近的热膨胀局部适应，两相材料的热膨胀与电解质更加匹配，极大地减小了全电池欧姆阻抗，并显著降低极化电阻。在较低温度范围内，共格界面对全电池输出特性的提高更为突出，550 °C时，其最大功率比以纯PBC为阴极的全电池性能提高了50%。

图5. （a）以PBC-10 wt.%GDC为阴极组装的电解质支撑单电池在不同温度下使用氢气为燃料的I-V与I-P曲线；（b）PBC-10 wt.%GDC与PBC为阴极的全电池在不同温度下交流阻抗谱。

文章链接

Enhanced oxygen reduction kinetics of IT-SOFC cathode with PrBaCo₂O_5+δ/Gd_0.1Ce_1.9O_2-δ coherent interface

https://doi.org/10.1039/D1TA09615J

通讯作者简介

赵海雷教授

1993年3月北京科技大学获博士学位，同年留北京科技大学任教至今。日本STA博士后；香港中文大学、美国波士顿大学、美国佐治亚理工访问学者。中国硅酸盐学会固态离子学会理事，北京硅酸盐学会副理事长。新能源材料与技术北京市重点实验室常务副主任。教育部新世纪人才，北京市教学名师。所主讲的“固体电解质”课程被评为全国双语教学示范课程。

主要从事高效能源存储与转换方向研究工作，包括锂（钠）离子电池、固体氧化物燃料电池、液态金属电池、气体分离膜等。曾承担科技部重点研发、973、863、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国际合作等项目。在Adv. Energy Mater.、Appl. Catal., B、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、J. Mater. Chem. A、Chem. Mater.等国际刊物发表SCI收录文章260余篇，被引用8500余次，H因子48。申请国家发明专利82项，国际发明专利2项，授权67项。2014-2021年被Elsevier评为能源领域中国高被引学者。