中国科学院孙春文AEM：钙钛矿型氧化物在能量转换和储存方面的应用研究进展- 大数跨境

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中国科学院孙春文AEM：钙钛矿型氧化物在能量转换和储存方面的应用研究进展

科学材料站

2020-05-08

导读：本文综述了钙钛矿氧化物的结构、缺陷化学和输运性质，特别是具有混合电子和离子导电性的混合材料。此外，还讨论了界面工程、缺陷工程、应变调制等优化性能的新设计策略。最后，展望了如何设计高性能钙钛矿氧化物基材

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Version of record online: 04 May 2020

中国科学院

导读

早在60多年前，John B.Goodenough教授就在麻省理工学院林肯实验室开始了对钙钛矿型氧化物的研究。自那以后，钙钛矿型氧化物在能量转换和储存领域发挥了重要作用。本文综述了钙钛矿氧化物的结构、缺陷化学和输运性质，特别是具有混合电子和离子导电性的混合材料。此外，还讨论了界面工程、缺陷工程、应变调制等优化性能的新设计策略。最后，展望了如何设计高性能钙钛矿氧化物基材料用于能量转换和存储，以及该课题所面临的挑战。

背景简介

1. 钙钛矿材料的研究起源

钙钛矿相关材料可以追溯到1839年，当时人们首次研究钙钛矿结构的矿物材料。钙钛矿氧化物是一种重要的功能材料，具有优异的物理和化学性能，广泛应用于铁电、压电、介电、能量转换和存储等领域，正如在他的自传“Witness to Grace,”一书中所介绍的那样，John B.Goodenough教授在60多年前就开始了对钙钛矿型氧化物的研究。除了对锂离子电池的重要贡献外，Goodenough教授的研究还广泛应用于钙钛矿氧化物材料的能量转换和存储应用。到目前为止，钙钛矿型氧化物在能量转换和储存领域发挥了重要作用。

2.钙钛矿晶体的典型结构

钙钛矿晶体结构具有不可比拟的柔性，涉及阳离子取代、结构缺陷和相关的上部结构，具有广泛的物理性能和应用前景。它包含各种各样的化合物，因为周期表中几乎所有的金属离子都可以并入钙钛矿结构中。大多数是氧化物和氟化物，虽然它存在于许多其他阴离子的组合中，如氯化物、溴化物、氢化物、氧氮化物和硫化物。过去对钙钛矿材料的许多综合评述已经描述过，钙钛矿型ABO₃氧化物的典型例子是A位由碱土、碱土或稀土离子组成，而B位由过渡金属或p块金属占据。

在立方晶胞中，B原子位于立方晶胞的中心，a阳离子在晶胞的角部体积越大，O阴离子在晶胞的中间，可以定义出更为基本、不变形的钙钛矿结构，即所谓的芳基结构，导致了一个三维框架，其中B阳离子与氧原子八面体配位，而BO₆八面体在晶体的三个方向上共用一个角。因此，较大的A型阳离子表现出12倍的配位。理想钙钛矿属于立方空间群Pm-3m（#221），晶格参数a O≈3.8Å，其中B阳离子位于1a Wyckoff位置（0 0），a原子位于1b（1/2/2/2）位置，O阴离子位于3d（1/2/0）位置。

图1. 钙钛矿晶体结构

文章介绍

近日，中国科学院的孙春文等人在国际知名期刊Advanced Energy Materials (2018 影响因子：24.88)上发表题为“Recent Advances in Perovskite-Type Oxides for Energy Conversion and Storage Applications”的综述。本文第一作者是孙春文

本文综述了钙钛矿氧化物的历史、缺陷化学、结构和输运性质，特别是具有混合电子和离子导电性的混合价材。作者着重介绍了钙钛矿氧化物在析氧反应（OER）、氧还原反应（ORR）、电化学水分解、金属-空气电池、固态电池、氧分离膜和固体氧化物燃料电池（sofc）等方面的应用进展。

本文就钙钛矿氧化物的结构、性质、优化策略及其在能量转换和存储中的应用，特别是近年来的研究进展作一综述。此外，作者还试图阐明古德内尔教授关于钙钛矿氧化物的学术思想。

图2. 在碱性介质中不同钙钛矿氧化物上发现的OER活动

The volcano shape found for OER activity a) and ORR activity b) on different perovskite oxides in basic media, evaluated by the overpotential at 50 µA cm−2 and the eg electron-occupancy of the B-site metal on ABO3 perovskites. Reproduced with permission

图3. LCO薄膜的特性

a) LSV curves of the LCO films.

b) Tafel plots of the LCO films.

c) Chronamperometric response of various LCO films at the potential of 470 mV.

d) Relative activity of the LCO films.

e) OER activity and spin sate of different LCO films are strongly correlated. Reproduced with permission.

图4. 电阻率和磁化强度及能带结构

a) Thermal variation of the resistivity and magnetization in both zero-field cooling (ZFC) and field cooling (FC).

b) Spin configuration of the Co ions, octahedrally coordinated in ACoO3 (A = Ca, Sr) perovskites, and comparison with Co3O4.

c) Schematic ACoO3 (A = Ca, Sr) band structure. Reproduced under the terms of a Creative Commons Attribution NonCommercial License 4.0 (CCBY-NC).

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000459

老师简介:

孙春文，中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员，博士生导师，储能材料与器件实验室负责人。2006年毕业于中国科学院物理研究所，获理学博士学位，导师：陈立泉院士。曾先后在德国慕尼黑工业大学物理系、加拿大国家研究院燃料电池创新研究所、美国德州大学奥斯汀分校材料研究所（合作导师：John B Goodenough教授， 2019年诺贝尔化学奖得主）任博士后和助理研究员。近年来，研究工作主要集中在纳米结构材料的合成、表征及其在能量转换与存储器件中的应用（锂离子电池，全固态电池，金属空气电池，燃料电池）。已在JACS, Energy & Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Energy, ACS Catalysis和NPG Asia Materials等国际重要学术期刊上发表论文120余篇，SCI引用超过6700次，八篇文章被Web of Science的ESI （Essential Science Indicators）选为 “过去十年高被引用论文”（Highly Cited Papers），16篇论文他引超过100次，单篇最高引用680次；申请21项中国发明专利，10项已获授权。应邀编写英文专著5章节，中文专著2章节。目前担任中国硅酸盐协会固态离子学分会理事，中国能源研究会燃料电池专业委员会委员，中国仪表功能材料学会储能与动力电池及其材料专业委员会委员, 国际期刊Scientific Reports编委，应邀为30多个重要国际学术期刊的审稿人，在重要国际会议上做邀请报告40余次。作为负责人，目前承担国家自然科学基金面上项目一项，参与国家重点研发计划项目一项，已结题国家重点基础研究发展计划（973）项目一项和自然科学基金面上项目两项。2011年中科院物理所引进国外杰出人才计划（所百人）入选者，2013年获得军队科技进步二等奖，2014年英国皇家化学会（RSC） Top 1%高被引作者，2017年获得国际先进材料协会（IAAM）科学家奖，2018年上榜爱思唯尔 (Elsevier) 材料科学领域中国高被引学者

信息来源：中国科学院北京纳米能源与系统研究所官网

http://www.binn.cas.cn/ktz/scwyjz/yjzjjscw/

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