无Co基材料在质子导体型可逆固体氧化物电池上的应用

质子导体型可逆固体氧化物电池（Reversible proton-conducting solid oxide cells, R-PSOCs）是一种能将氢的化学能和电能相互直接转化存储的电化学器件，工作温度可以降低到500-700℃，更适宜未来商业化应用。制约R-PSOCs商业化进程的主要因素来自于空气极较低的催化活性和耐久性。空气极是氧气发生还原/氧化反应（ORR/OER）的场所，随着温度的降低，空气极活性快速下降。为了解决活性低的问题，研究者提出了采用质子、氧离子和电子（氧化条件下的电子空穴）混合导电的三相导电氧化物（triple ionic-electronic conductors, TIEC），其优势在于来自电解质的质子可扩散至空气极表面参与ORR/OER反应，由此整个空气极表面都将具有反应活性。目前报道的含Co材料，虽然催化活性较高，但是热膨胀系数显著高于电解质，由此加剧了在冷热循环过程中由于热机械性能不匹配导致的空气极/电解质分层及性能衰减的风险。

针对上述问题，化工学院的王绍荣教授燃料电池团队设计开发了一种无Co基Ruddlesden-Popper结构的Nd0.8Sr1.2Ni1-xFexO4±δ（x=0, 0.15, 0.3, 0.45, 0.55, 0.7, and 0.85, NSNF）三相导体空气极材料，通过分析不同成分Fe掺杂材料的相结构、电导率、热膨胀系数、化学吸附、水合性质以及电催化活性等，结合DFT理论计算，优化出最优的Nd0.8Sr1.2Ni0.7Fe0.3O4±δ（NSNF30）成分。应用于可逆质子导体型固体氧化物电池表现出优异的电化学性能和稳定性。研究成果“An Active and Stable Cobalt-free Ruddlesden-Popper Nd0.8Sr1.2Ni1-xFexO4±δ Air Electrode for Reversible Proton-conducting Solid Oxide Cells”发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials（影响因子19）上。该文章我校化工学院陈婷老师为第一作者，王绍荣教授、北京怀柔实验室周玉存研究员、南京理工大学周娟副教授为共同通讯作者，中国矿业大学为第一单位。

此外，近期王绍荣教授和陈婷老师与北京怀柔实验室合作还设计开发了一种无Sr、Co的钙钛矿三相导电(e-/O2-/H+)空气极材料Bal-xCaxFeO3-δ(x=0.1, 0.2, 0.3; BCF)，研究发现在钙钛矿晶格B位引入钙(Ca)，克服了BaFeO3材料结构不稳定的问题，Ca的掺杂起到了稳定相结构作用，并且材料的氧吸附能力和水合催化能力得到了提升，展现出优异的氧气还原/氧化反应(ORR/OER)活性。并且，以BCF82为空气极的可逆质子陶瓷电池表现出优异的电化学性能和稳定性。结果证实：Ca掺杂的无Sr、Co的BCF材料具有优异的ORR/OER活性和良好的耐久稳定性，助力了R-PSOCs的发展。该研究成果“A promising strontium and cobalt-free Ba1-xCaxFeO3-δ air electrode for reversible protonic ceramic cells”发表于国际知名期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy（影响因子22.1）上。我校化工学院张广君博士为第一作者，我校王绍荣教授、陈婷老师、北京怀柔实验室周玉存研究员为共同通讯作者，中国矿业大学为第一单位。

以上工作得到了多个国家项目的支持。燃料电池研究团队长期致力于高效发电和电解水制氢的电极材料、单电池、系统方面的研究，为助力双碳目标实现作贡献。

论文链接：

An Active and Stable Cobalt-free Ruddlesden-Popper Nd0.8Sr1.2Ni1-xFexO4±δ Air Electrode for Reversible Proton-conducting Solid Oxide Cells

https://doi.org/10.1002/adfm.202316485

A promising strontium and cobalt-free Ba1-xCaxFeO3-δ air electrode for reversible protonic ceramic cells

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124176