铂碳(Pt/C)催化剂是质子交换膜燃料电池(PEMFCs)最具前景的阴极催化剂之一, 但其耐久性不佳。这主要是由于铂纳米颗粒(Pt NPs)会发生团聚和迁移, Pt颗粒尺寸变大, 从而使催化活性丧失。本研究通过构建具有串珠状内部孔隙结构的介孔碳载体(IPMC), 研究了Pt NPs在碳载体中的沉积位置, 并将其精准限域在孔道内部, 利用独特的孔隙结构, 实现了Pt NPs的高效限域, 提升了材料稳定性。分析表明, 介孔碳催化剂中的Pt NPs经过30000 圈加速耐久性测试(ADT)循环后平均粒径仅增加了0.46 nm, 而实心碳催化剂中的Pt NPs增加了0.79 nm。介孔碳催化剂的电化学性能损失较小, 电化学活性面积(ECSA)损失率为24.18%, 显著低于实心碳催化剂(32.33%)。介孔碳催化剂耐久性优异主要归因于IPMC独特的孔隙结构所产生的限域效应, 进而抑制内部Pt NPs的奥斯特瓦尔德(Ostwald)熟化和迁移行为, 显著延缓了氧还原反应(ORR)催化活性衰减。本工作揭示了串珠状介孔对Pt NPs的物理限域机制, 即相互连通且具有局部收缩的孔道结构形成空间屏障, 有效阻碍溶解Pt物种的扩散迁移并锚定颗粒位置, 为设计PEMFCs的最佳碳载体提供了更精确的结构蓝图。

氧还原反应(Oxygen reduction reaction, ORR)作为燃料电池和金属空气电池等清洁能源装置的关键阴极反应, 反应动力学缓慢, 使其实际应用受到了严重制约。虽然铂(Pt)基催化剂具有出色的ORR活性, 但其价格昂贵、储量稀缺、稳定性和耐受性差, 极大地阻碍了商业化进程。因此, 开发高效、低成本的新型ORR催化剂成为当前研究的重点。纳米金刚石(Nanodiamond, ND)的成本低、官能团修饰可控、表面能高(>1000 mJ·m^-2)且具有独特π和σ电子结构, 作为新兴碳基材料在ORR催化中极具潜力。本文综述了ND催化剂的最新研究进展, 首先介绍了爆轰法、化学气相沉积法、脉冲激光烧蚀法、高温高压法等制备方法, 随后总结了杂原子掺杂、表面功能化、材料复合及形貌调控等改性策略, 并分析了活性中心形成机制与反应路径调控规律, 涵盖不同改性策略对催化性能的影响及相关性能数据对比。最后探讨了当前ND催化剂在催化机理、合成工艺、表征技术及设计方法等方面面临的挑战, 并展望了未来发展方向, 为研发新型碳基ORR催化剂提供了参考。

高温燃料电池作为一种高效与清洁的电化学能量转换装置, 已成为“双碳”战略的关键技术之一。其核心优势在于燃料适应性广、能量转换效率高以及全固态结构稳定。这种燃料电池不仅可使用氢气作为燃料, 还能够直接利用碳氢化合物(如天然气、甲醇)和氨等多种燃料, 展现出良好的应用灵活性与能源兼容性。与传统的内燃机发电技术相比, 高温燃料电池通过电化学反应直接将化学能转化为电能, 其发电效率可超过60%。若进一步利用反应过程中产生的余热, 采用热电联供的方式, 整体能源利用效率可进一步提升至80%以上。高温燃料电池技术中, 关键部件材料始终是与其商业化进程紧密相关的核心命题。特别是开发在高温严苛环境下能够长期稳定工作的部件材料, 是目前制约高温燃料电池进步的瓶颈。该项技术的突破将为高温燃料电池的未来发展奠定基石。

传统高温燃料电池依赖于氧化钇稳定氧化锆(YSZ)电解质、镍-YSZ金属陶瓷阳极以及镧锶锰(LSM)氧化物阴极等经典材料体系。这些材料在高温条件下表现出优异的电化学活性和离子电导率, 为高效能量转换提供了重要保障。尽管如此, 随着操作温度降低至中低温范围(400~700 ℃), 传统材料体系的氧离子迁移速率和电极反应动力学显著下降, 导致电池的电化学性能明显衰减。在保持效率和稳定性的前提下, 为实现高温燃料电池的中低温运行, 全球研究人员正致力于开发具有高离子电导率的新型电解质材料和高催化活性的电极材料, 以推动高温燃料电池技术在新一代能源体系中的广泛应用。

受《无机材料学报》编辑部的邀请, 本人组织编撰了“高温燃料电池关键材料”专栏, 特别邀请到来自哈尔滨工业大学、西安交通大学、北京怀柔实验室、武汉工程大学等单位的国内知名研究团体, 旨在分析高温燃料电池相关材料在基础研究、制备工艺、性能优化与机理研究方面的最新进展。

期望本专栏能够帮助科研人员更深入地理解高温燃料电池的内涵, 为他们提供了解该领域最新发展动态的窗口, 并积极推动高温燃料电池材料发展和学科进步。在此, 衷心感谢各位专家在百忙之中为本专栏撰稿, 是他们的辛勤付出和大力支持使得本专栏得以顺利出版。

在全球能源结构转型与碳中和目标驱动下, 质子传导型固体氧化物燃料电池(Proton-conducting Solid Oxide Fuel Cells, P-SOFCs)兼具中低温(400~600 ℃)高效发电、出色的燃料兼容性与高能量转换效率的优势, 成为清洁能源技术的研究热点。本文分析了泛氢燃料P-SOFCs的发展前景, 围绕泛氢燃料电池技术瓶颈, 聚焦材料设计、反应机制以及表征手段三个核心维度, 综述了碳氢燃料与氨燃料P-SOFCs体系的研究进展与技术挑战。针对碳氢燃料电池碳沉积问题, 深入探讨了碳沉积的形成机理、表征手段以及影响因素, 指出了重整催化剂改性、质子导体电解质优化和新型电极设计等前沿改进策略; 针对直接氨燃料电池(Direct Ammonia Fuel Cells, DAFCs)性能问题, 系统阐述了催化剂活性、载体种类、氮化腐蚀机制、氢分压、氨气流量以及阳极微结构等关键影响因素; 根据DAFCs的前沿工作, 总结了阳极改性、阳极催化层构筑以及新型电池结构设计等新型改进策略, 为推动泛氢燃料P-SOFCs商业化应用指明未来发展方向。

固体氧化物电池(Solid Oxide Cell, SOC)因其燃料电池(SOFC)模式下的高效清洁发电能力和电解池(SOEC)模式下的优异制氢及储能潜力, 近年来受到广泛关注。传统SOC通常采用石墨、碳粉等造孔剂制备多孔电极支撑体, 存在孔隙无序分布、孔结构复杂的问题, 从而产生较高的曲折因子, 尤其在稀薄燃料或高电流密度条件下, 容易引发浓差极化, 这限制了电池性能的进一步提升。为解决这一问题, 近年来直孔结构的应用得到了广泛关注。该结构通过有序的孔道设计, 有效促进了气体扩散与传输, 减轻了浓差极化现象, 并提高了电极材料的浸渍效率及活性位点的利用率, 从而显著提升了SOC的电化学性能。本文系统综述了直孔结构SOC的最新制备技术研究进展, 详细阐述了相转化法、冷冻干燥法及海藻酸盐离子凝胶法等关键技术的成孔机理、工艺特点及其在平板式和管式SOC中的应用; 深入分析了直孔结构在SOFC和SOEC两种模式下对氢气、碳氢燃料适应性和电解性能(包括传统水/CO₂电解及燃料辅助电解)的提升作用与机制。尽管直孔结构在SOC应用中展现出巨大的潜力, 但目前关于这一制备技术的系统性综述仍较为缺乏。本文旨在总结直孔结构SOC的最新制备技术进展, 分析其技术优势与存在的问题, 并提出未来的发展方向, 以期为相关研究提供参考。

固体氧化物燃料电池(SOFCs)作为一种高效清洁的发电装置, 其阴极性能对于电池的商业化应用来说至关重要。其中阴极表面的阳离子偏析会对电池的性能和稳定性产生不利影响。双钙钛矿氧化物PrBa_0.8Ca_0.2Co₂O_5+δ (PBCC)是一种高活性阴极, 但其依然存在偏析显著和Cr耐受力不足问题。为提高阴极稳定性, 本研究设计了由PBCC衍生的A位中熵双钙钛矿阴极材料Pr_0.6La_0.1Nd_0.1Sm_0.1Gd_0.1Ba_0.8Ca_0.2Co₂O_5+δ(ME-PBCC), 并系统探究了其在含Cr气氛下的偏析情况及耐Cr性能。与传统PBCC阴极相比, ME-PBCC材料表面的BaCrO₄和Co₃O₄偏析得到了显著抑制, 这归因于其具有较高的构型熵。电导弛豫(ECR)和电化学交流阻抗谱(EIS)结果表明, ME-PBCC阴极的电化学稳定性得到了明显提高。中熵阴极在Cr沉积48 h后的氧表面交换系数k_chem从4.4×10^-4 cm·s^-1降至1.8×10^-4 cm·s^-1, 其k_chem减小量明显低于PBCC(从7.3×10^-4 cm·s^-1降至1.2×10^-4 cm·s^-1)。此外, 在700 ℃含Cr空气中处理48 h后的EIS结果显示, ME-PBCC的极化电阻(R_p)仅为0.07 Ω·cm², 明显小于PBCC的0.11 Ω·cm², 证实了中熵阴极的运行稳定性与耐Cr能力显著提高。本研究提供了一种具有应用前景的SOFCs阴极材料。

高温氢燃料电池——固体氧化物燃料电池(SOFC)由于具有能量转换效率高、燃料适应性强、环境友好、全固态结构等优点被认为是实现“双碳”目标的一种有效的能量转换装置, 但是SOFC的传统钴基阴极存在成本较高、易挥发、热膨胀系数高、易与电解质发生反应等问题。本研究采用一锅法制备了无钴复合阴极Sm_0.6Sr_0.4FeO_3-δ- Ce_0.8Sm_0.2O_1.9(O-SSF-SDC), 其中钙钛矿型金属氧化物SSF和萤石型氧化物SDC的质量分数分别为75%和25%。微观形貌和元素分布结果表明, 与传统的机械混磨方法相比, 一锅法制备的O-SSF-SDC复合阴极材料的颗粒尺寸更加均匀, 可以为阴极氧还原提供更多的反应活性位点, 700 ℃空气气氛条件下O-SSF-SDC复合阴极对称电池的界面阻抗低至0.175 Ω·cm²。当O-SSF-SDC单电池的阴极和阳极分别暴露于空气和3% H₂O湿润的氢气时, 电池的最大输出功率密度可达609.6 mW·cm^-2, 展示出与传统钴基阴极相当的电化学性能。这些结果表明一锅法可以制备高性能复合阴极, 为高性能高温氢燃料电池的研发提供借鉴。

质子传导型固体氧化物燃料电池(H⁺-SOFC)因温度依赖性弱和能量转换效率高而备受关注。本工作通过氟化诱导提高了电解质BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.1Yb_0.1O₃(BZCYYb)的质子传导性。在450~800 ℃温区, 氟化后的BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.1Yb_0.1O_2.9F_0.1 (BZCYYbF)钙钛矿在干氢气中的电导率(σ)为4.59×10^-3~2.14×10^-2 S/cm, 高于未氟化BZCYYb电解质的电导率(σ=3.99×10^-3~1.86×10^-2 S/cm)。电解质氟化可以明显降低阳极对氢氧化反应的极化阻抗, 700 ℃条件下从氟化前的2.50 Ω·cm²降低到1.94 Ω·cm², 300 μm厚电解质支撑单电池(BSCN|电解质|LSFMN)的总阻抗从氟化前的1.54 Ω·cm²降低到氟化后的1.47 Ω·cm²。因此, 电解质氟化的单电池输出功率明显高于电解质未氟化的单电池。700 ℃时, 氟化电解质支撑单电池的最大输出功率密度P_max为172 mW·cm^-2, 明显高于未氟化电解质支撑单电池(P_max=144 mW·cm^-2)。追本溯源, 这是由于电解质氟化不但提高了电解质质子传导能力, 而且强化了阳极侧三相界面对氢燃料的吸附/解离和扩散速率。综上, 氟化能明显改善BZCYYb电解质的质子传导能力, 有助于提升H⁺-SOFC的电化学性能。

固体氧化物燃料电池(SOFC)的性能受阴极氧还原反应(ORR)的制约, 其对整个电池性能至关重要。本研究通过容限因子和结构特征设计合成了La_0.25M_0.75FeO_3-δ (M=Ba, Sr, Ca, 标记为LBF、LSF、LCF)钙钛矿阴极, 研究了Ba、Sr、Ca元素取代的特性及其对阴极电化学性能的影响。不同碱土元素对晶体结构有显著影响, LBF为Pm-3m立方相, LSF为R-3c菱方相, 而LCF为P21ma正交和Pcmn菱方的复合相。晶体结构的差异也导致了材料不同的热膨胀系数(TEC)和电导率, LCF具有最小的TEC(1.38×10^-5 K^-1), LSF具有最高的电导率, 其电导率在550 ℃达到404.4 S·cm^-1。三种Fe基阴极在空气和CO₂气氛下都呈现出优异的稳定性, 以及与电解质的化学兼容性。此外, 不同的碱土元素也影响着材料的催化活性, LSF和LBF具有低的面比电阻(ASR), 在800 ℃时ASR仅为0.022和0.027 Ω·cm², 优于LCF的0.351 Ω·cm²。较高的氧还原活性归因于其晶体结构, 以及氧的吸附和解离能力。鉴于Ba²⁺、Sr²⁺、Ca²⁺在阴极性能上各有优缺点, 未来可以在A位有效引入中高熵设计, 充分发挥各自的优势以获得综合性能优异的SOFC阴极。

传统的金属支撑固体氧化物燃料电池(Metal-supported solid oxide fuel cell, MS-SOFC)通常使用氧化钇稳定的氧化锆(Yttria stabilized zirconia, YSZ)作为电解质, 工作温度约为800 ℃。为了使MS-SOFC能够在中低温下工作, 本研究选择在低温下导电性较高的钆掺杂氧化铈(Gadolinium doped ceria, GDC)作为电解质, 以促进MS-SOFC的实际应用。本研究采用流延法制备了薄膜阳极(NiO-GDC)和薄膜电解质(GDC), 采用超声喷涂法制备了阴极材料La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ(LSCF)-GDC。将所得电池组装在金属支撑体上, 制备了带有GDC薄膜电解质的MS-SOFC, 并评价其电化学性能。在650 ℃时, 电池的总阻抗为0.50 Ω·cm², 其中欧姆阻抗为0.23 Ω·cm², 极化阻抗为0.27 Ω·cm², 最大功率密度为336 mW/cm²。此外, 电池在550 ℃、0.5 V恒定电压条件下运行100 h, 电流密度没有明显衰减。温等静压与共烧结制备的电解质与阳极结合十分紧密, 电池在长期运行后各层之间并未发生分层现象, 这种结构稳定性为MS-SOFC的长期运行提供了保障。本研究通过流延-温等静压-直接组装法的工艺路线制备了具有优异电化学性能和长期稳定性的MS-SOFC, 为中低温SOFC的工业化生产提供了新方案。

碳载体是质子交换膜燃料电池膜电极常用Pt/C催化剂的重要组成部分, 离聚物是构成膜电极催化层的关键成分之一。本研究针对六种不同类型的商业化碳载体(VC、KB1、KB2、BP、SJR、AB), 采用多种表征手段系统分析了碳载体、添加离聚物前后Pt/C催化剂的微观结构与表面化学性质, 并且测试了各类Pt/C催化剂的氧还原反应(ORR)性能, 以探究代表性碳载体负载Pt催化剂的电催化构效关系。研究发现, 具有大比表面积和丰富孔结构的碳载体, 如KB1、KB2、BP, 可减小沉积的Pt粒径。强亲水性的实心碳载体(VC、SJR)上的含氧官能团也有助于分散Pt粒子。同时, 含有大量2~8 nm介孔的碳载体(KB1、KB2)有利于Pt分布在碳颗粒内孔中, 而在微孔(<2 nm)居多的大比表面积碳载体(BP)以及中等与小比表面积碳载体(VC、SJR、AB)上, 绝大部分Pt粒子分布在碳颗粒外表面。进一步结合离聚物加入前后Pt/C样品比表面积与孔结构的变化, 测算离聚物的覆盖度, 并提出了离聚物在催化剂颗粒上的分布模型。在实心碳负载催化剂上, 一定量的离聚物基本覆盖了碳颗粒外表面; 在微孔主导的BP负载催化剂上, 离聚物堵塞微孔, 造成比表面积与孔容大幅下降; 而在介孔碳负载的催化剂上, 相同量的离聚物不足以堵塞全部微孔(<2 nm)与介孔(2~8 nm), 使得覆盖度较低。Pt/C催化剂的ORR活性主要由Pt粒径大小决定, 并且, 分布在碳颗粒内孔的Pt粒子可免受离聚物的毒化作用, 因此, KB系列碳载体负载的Pt催化剂在液相ORR动力学过程中表现优异。

界面工程调控是开发具备优异CO₂催化活性的固体氧化物电解池燃料极材料的有效策略。本研究采用静电纺丝技术直接制备La_0.3Sr_0.6Ti_1-xNi_xO_3-δ/Ce_0.9Gd_0.1O_2-δ(LSTN_x/GDC)复合纤维, 构建由LSTN_x电子通道骨架、GDC离子通道嵌入以及原位Ni出溶纳米颗粒修饰构成的纤维基燃料极, 研究不同B位镍掺杂量对纤维基燃料极形貌结构以及CO₂催化活性的影响。扫描结果显示在x=0.15、0.20镍掺杂量的作用下, 成功制得直径均匀(100~150 nm)、无明显颗粒团聚及断裂缺口的LSTN_x/GDC复合纤维, 所制备的燃料极在还原气氛工况下可原位析出更多的Ni金属纳米颗粒(20~30 nm)。通过弛豫时间分布分析证实, B位镍金属纳米颗粒原位出溶能提供较多的活性位点, 并与复合纤维、浸渍物构成丰富的异质界面, 加快界面电荷转移, 显著增强电极对CO₂的吸附催化能力。掺杂量x=0.20的电解池在1.5 V、850 ℃、CO₂ : H₂=5 : 5(体积比)条件下, 电解电流密度达到0.799 A·cm^-2, 极化阻抗仅为0.171 Ω·cm², 其长期稳定性测试显示该电解池在1.3 V、850 ℃、CO₂ : H₂=5 : 5(体积比)条件下70 h内可维持电流无明显波动。

二维CoPS₃电催化剂面内金属活性位点稀缺, 用于阳极析氧反应(OER)的动力学过程缓慢, 这限制了整体电解水制氢的效率。针对这一问题, 本研究提出通过量子限域效应与边缘化学修饰协同提升催化活性的新策略。首先构建了两种典型的具有高边缘位点密度的CoPS₃量子点(CoPS₃-QDs)结构模型, 通过结合能和键能计算筛选出热力学稳定的结构(CoPS₃-QDs1), 其边缘Co2位点较其它边缘位点展现出最优OER活性(速率决定步骤的吉布斯自由能ΔG=1.68 eV)。进一步在CoPS₃-QDs1的Co2位点及邻近硫原子引入氧(O)修饰, 构建五种O-CoPS₃-QDs模型。理论计算表明, M4模型(O修饰于S3位点)的过电位(η^OER)仅为0.32 V, 较未修饰体系降低29%, 且显著优于文献报道的贵金属RuO₂催化剂。局域态密度分析进一步揭示, O修饰诱导Co位点附近的电荷重新分布, 可以适度吸附氧中间体(*OH、*O、*OOH)。本研究阐明了量子点边缘态修饰在调控电子结构与反应动力学中的关键作用, 为设计高效、低成本的OER电催化剂提供了理论依据。

氨气(NH₃)作为一种储氢材料, 具有高储氢密度、易液化等优点, 因此利用氨分解制氢是一种理想的氢气(H₂)制备方法。但传统氨分解的工作温度过高, 中低温下NH₃转化效率过低且H₂纯度较低, 无法实现H₂的有效制取。本研究通过共压法制备了具有多孔电极Ni-BZCY/BZCY/Ni-BZCY(BZCY: BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.2O_3-δ)对称结构的质子陶瓷膜反应器(PCMR)。在600 ℃时, PCMR在H₂与NH₃气氛下分别实现了0.11和0.23 Ω·cm²的极化阻抗(R_p), 在0.8 V外加电压下其电流密度分别达到1.87和1.56 A·cm^-2; 在300 ℃、0.8 V外加电压下, H₂与NH₃中的电流密度仍能分别达到0.16和0.06 A·cm^-2。通过共压法所制备的PCMR在600 ℃下的NH₃分解转化效率达到80%, 比裸催化剂材料提升了8%, 在350 ℃仍能实现0.3%的提升, 即使在300 ℃下NH₃转化效率也达到约1%。本研究为实现低温氨分解制氢提供了新的思路。

Pt₃Co催化剂是Pt基合金中氧还原反应(ORR)活性最高的催化剂, 合成Pt₃Co高指数晶面(HIFs)是一种提高其催化性能的有效策略, 但拥有最高ORR活性的HIFs尚未明确, 并且目前缺乏对Pt₃Co HIFs ORR的系统研究。本研究构建了六种不同Pt₃Co HIFs, 通过从头算分子动力学(AIMD)计算证明了其稳定性, 通过密度泛函理论(DFT)计算了六种Pt₃Co HIFs的ORR过程中间物*O、*OH、*OOH的结合能(BE), 通过d带中心(ε_d)、Bader电荷及配位数(CN)解释了其在台阶与边缘位点BE不同的原因。同时分析了吸附原子CN与ε_d的关系, 通过ORR自由能台阶图分析了ORR过程中的过电位(η), 发现η大小主要与*OH结合能(BE-*OH)有关, 其中η最小的晶面为Pt₃Co(211), 其在台阶处的η达到了0.294 eV。本工作为高ORR活性HIFs催化剂研发提供了一定的理论依据。

BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.2O_3-δ(BZCY)作为质子导体型固体氧化物燃料电池的典型电解质材料之一, 具有高质子电导率及高稳定性等优点。然而, BZCY电解质的烧结活性较差, 通常需要较高的烧结温度来实现致密化, 而过高的烧结温度不利于电池的制备及应用。本研究旨在降低BZCY电解质的烧结温度, 通过引入NiO、Fe₂O₃、ZnO与CuO等烧结助剂, 探讨了烧结助剂对BZCY烧结行为的影响。结果表明, 除Fe₂O₃外, 其余氧化物均能有效促进BZCY烧结体的晶粒生长。其中, 添加CuO对BZCY烧结过程的促进作用最显著。在BZCY中添加质量分数2%的CuO(BZCY-2%CuO)后, 即使烧结温度降低至1250 ℃, 烧结体仍能保持高于98%的相对密度。此外, 在600 ℃的加湿H₂气氛下, BZCY-2%CuO的电导率高达2.7×10^-2 S·cm^-1, 且在加湿H₂下的电导率相较于加湿空气高出近5倍。更为关键的是, BZCY-2%CuO电解质在电池工作条件下的电子导电性可以忽略不计, 保持了优异的稳定性。

为了应对能源供应紧张和环境保护的挑战, 探索和开发高效催化剂成为解决能源和环境问题的关键策略。单原子催化剂(Single-atom catalysts, SACs)作为近年来新兴的催化剂类型, 其独特的性质吸引了科研界的广泛关注。金属以单原子的形式负载在载体表面, 实现了电子、几何结构的特殊性以及原子利用率的最大化。在能源催化、环境催化、有机催化等多个领域, SACs都表现出优异的活性、选择性和稳定性, 为相关催化反应提供了强有力的支撑。更重要的是, SACs在贵金属利用方面展现出巨大的潜力。通过精确调控可以最大限度地提高贵金属的催化效率, 进而降低催化剂制造成本。因此, SACs的制备方法和作用机理成为国际催化领域的研究热点。本文综述了SACs的合成策略, 包括自下而上、自上而下和量子点交联/自组装, 具体介绍了共沉淀法、浸渍法、原子层沉积(Atomic layer deposition, ALD)法、高温原子热迁移法和高温热解法等制备SACs的研究进展, 并对SACs制备面临的挑战和未来前景进行了总结和展望。

PrBaFe₂O_5+δ(PBF)是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)技术最有前途的阴极材料之一。虽然, PBF的极化面电阻(ASR)与Co基阴极材料相近, 但电子电导率低了一个数量级。针对此问题, 目前已报道了各种掺杂优化策略。本研究用过量Pr替换PBF中的Ba, 采用溶胶-凝胶法成功合成了PBF和Pr_1+xBa_1-xFe₂O_5+δ(PBF_x, x=0.01、0.02、0.04)材料, 并评价了其作为IT-SOFC阴极的电化学性能。结果表明, x=0.01时, 过量Pr进入PBF的晶格间隙; x≥0.02时, 过量0.01(摩尔分数)的Pr进入间隙位置, 其余过量Pr置换PBF中的Ba。在650~800 ℃范围内, Pr过量提高了PBF的电导率, 其中, PBF_0.01的电导率最高, 达到109.21 S•cm^-1, 提高了76%, 这是由于Pr过量使电子传输路径缩短。而且, Pr过量使阴极产生的晶格应变和晶格位错密度降低了氧还原反应(ORR)活性, 导致ASR略微增加。最终, 本研究制备的Ni-SDC|SDC|PBF_0.01(SDC: Sm_0.2Ce_0.8O_2-δ)单电池的峰值功率密度比PBF器件提高了49%, 表明Pr过量可以显著提升阴极材料的电化学性能。

直接乙醇燃料电池(DEFC)因其能量转换效率高、噪声低以及友好环境而受到广泛关注。然而, 这类电池仍面临催化剂成本高、稳定性差及催化活性低等问题。本研究选用氧化石墨烯(GO)作为载体, 以乙二醇为还原剂, 六水合氯铂酸为前驱体, 并引入非贵金属Fe, 通过调节Pt与Fe的摩尔比, 利用微波加热合成法制备出二元合金催化剂PtFe_x/GO(x=1/6、1/5、1/4、1/3、1/2、1), 在GO载体上原位负载纳米晶粒。原子半径小的Fe固溶到Pt晶格中, 导致Pt晶格的相邻原子间距缩小, 晶格收缩, 从而形成Pt-Fe合金。当x=1/3时, 催化剂表现出最优的催化活性, 其电催化活性面积为69.84 m²/g, 氧化峰值电流密度为858.42 A/g, 并且Tafel斜率较小。1100 s的计时电流测试下, PtFe_1/3/GO催化剂的稳态电流密度为194.80 A/g, CO的氧化峰电位为0.554 V, 活化能为18.37 kJ/mol, 800圈测试后电流密度保持率为80.48%, 优于商业Pt/C(JM)催化剂。研究表明, 引入非贵金属Fe能够显著提升Pt基催化剂的催化活性和稳定性, 为Pt基催化剂材料的设计与潜在应用提供了重要的理论依据。

固体氧化物燃料电池(SOFCs)是一种高效的能源转换装置, 但是传统镍基阳极面临严重的硫中毒问题。本研究采用固相法制备了层状钙钛矿氧化物NaYTiO₄, 并通过异价离子掺杂进行改性。Ni成功进入钙钛矿层后形成NaYTi_0.95Ni_0.05O₄, 掺杂的Ni不仅可以调控晶体的生长特性, 还可以在还原条件下原位析出。层状钙钛矿中二维分布的碱金属和极性结构带来了优异的化学吸水能力和良好的抗硫中毒能力, 材料的吸附氧比例可以借助Ni掺杂提升至64.5%, 表现出更加卓越的性能。所得材料作为SOFC阳极表现出良好的电催化活性, 以H₂为燃料的SOFC在800 ℃的最大功率密度为183.8 mW·cm^-2, H₂燃料中添加0.1% H₂S不仅没有出现明显的毒化现象, 最大功率密度还提升了25.2%, 并且SOFC能够在更易毒化的700 ℃稳定工作40 h, 说明掺杂改性层状钙钛矿氧化物可以显著提升阳极的抗硫中毒性能。

随着操作温度降低, 中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)需要更高催化活性的阴极材料来提升电池性能。为此, 本研究采用溶胶-凝胶法合成了双钙钛矿Sr₂CoFeO_5+δ (SCF)阴极材料, 并探讨了SCF阴极与摩尔分数20% Sm₂O₃掺杂的CeO₂(SDC)进行不同比例的复合对电极性能的影响, 优化了电极的化学膨胀和面积比电阻(ASR)，进而提升了SOFC单电池的电化学性能。结果表明, SCF作为SOFC阴极, 经950 ℃退火10 h后与普通电解质具有良好的化学相容性; 其中, SCF与SDC按照质量比1 : 1复合的样品可以将纯SCF样品的平均热膨胀系数(TEC)从2.44×10⁻⁵ K⁻¹显著降到15.4×10⁻⁵ K⁻¹。此外, SCF-xSDC(x=20, 30, 40, 50, x为SDC的质量分数)复合阴极的ASR在800 ℃下分别低至0.036、0.034、0.028和0.092 Ω·cm², SCF-40SDC在所有温度范围内都表现出更小的ASR。复合SDC可以优化SCF的三相界面且进一步提高SCF阴极的催化活性, 以0.3mm厚La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O_3-δ(LSGM)为电解质的SCF-40SDC单电池(757 mW·cm⁻²)比SCF单电池(684 mW·cm⁻²)的最大功率密度更优, 且超过目前大部分的文献报道。本研究制备的SCF−40SDC是一种性能优异的复合阴极材料, 有望应用于中温固体氧化物燃料电池。

鉴于平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)电堆对低面电阻、高稳定性阴极接触材料的需求, 本研究阐明了LaNi_0.6Fe_0.4O₃(LNF)颗粒尺寸调控对导电和SOFC单电池性能演变的影响机制, 优化了LNF预处理工艺, 降低了接触组件面电阻，提升了SOFC单电池性能及热循环稳定性。结果表明：预压造粒的样品(LNF-2)与高温烧结预处理的样品(LNF-3)的面电阻更小, 分别为0.074和0.076 Ω·cm²; 在750 ℃施加1 A/cm²电流负载后, 能够更快地进入稳态, 并保持颗粒尺寸稳定。其中, LNF-2单电池在750 ℃下的峰值功率密度0.94 W/cm²较未处理的LNF的 0.66 W/cm²高, 但在热循环过程中性能衰减较大,下降了20%; 而LNF-3单电池在20次热循环后峰值功率密度仅下降了4%。本研究对高可靠SOFC电堆装配及其长寿命稳定运行具有指导及参考价值。

受固体氧化物燃料电池(SOFCs)原位还原脱溶纳米金属阳极技术的启发, 本工作采用煅烧后的Sr₂V_0.1Co_0.9MoO₆前驱体(包含其他相的钙钛矿)在空气气氛下与电解质共烧制备出单电池, 避免了为防止阳极氧化而需在还原/惰性气氛下制备电池的苛刻条件。制备电解质片上的阳极前驱体仅需在燃料侧原位还原4 h, 便可形成纯相Sr₂V_0.1Co_0.9MoO₆ (R-SVCMO)阳极。结果表明, R-SVCMO在活化能显著降低的同时电导率由2.7 S•cm^-1提高至21.6 S•cm^-1。当R-SVCMO为阳极的单电池分别以H₂和湿CH₄为燃料气时, 在850 ℃的最大功率密度(P_max)分别达到862和514 mW•cm^-2, 显示出优秀的催化性能。还原前后阳极在100~850 ℃的平均热膨胀系数(TEC)分别为1.15×10^-5和1.23×10^-5 K^-1, 均与传统SOFC电解质相近。因此, 还原过程不会导致阳极层体积产生变化, 可以显著提高电池结构稳定性(退化率仅为0.13%)。加之R-SVCMO是在燃料气氛下合成的, 其作为阳极表现出极高的长期稳定性和催化活性。R-SVCMO对湿CH₄的催化效率达到60%, 并能够稳定运行1450 h, 相应的单电池可在0.7 V稳定运行450 h。综上所述, 本研究采用燃料原位还原法制备了具有优异电化学性能和结构稳定性的单电池。

针对阳极支撑型直接碳固体氧化物燃料电池(DC-SOFC)的浓差极化阻抗大的问题, 本研究采用改进后的凝胶注模法制备了阳极支撑型锥管状固体氧化物燃料电池(SOFC)。通过适当增加溶剂的含量, 改善了浆料的流动性, 提高了成品的质量; 通过增大造孔剂的含量, 提高了阳极的孔隙率, 减小了气体的扩散阻力。改进后的SOFC以氢气为燃料, 在800 ℃运行时, 开路电压为1.05 V, 电化学阻抗谱的极化阻抗更小, 电池的最大功率密度为0.67 W•cm^-2(阴极有效面积为2.2 cm²), 明显优于改进前的SOFC。改进后的SOFC直接采用担载质量分数5% K的活性炭为燃料, 在800 ℃运行时, 开路电压为1.030 V, 接近理论电压, 最大功率密度达0.74 W•cm^-2, 以400 mA进行恒流放电, 碳燃料的有效利用率为31%, 高于改进前电池的碳燃料的有效利用率17%。将改进后的4个锥管状单电池串联成电池组, 直接采用担载质量分数5% K催化剂的活性炭为燃料, 在800 ℃运行时, 最大功率达8.0 W, 高于改进前的4节DC-SOFC电池组(4.1 W), 该电池组碳燃料的有效利用率为15%, 峰值功率密度可达0.91 W•cm^-2, 超过了文献报道的最高值。

固体氧化物燃料电池(SOFC)各部件间的材料属性差异导致电池在制造和运行过程中应力过高, 使用功能梯度材料电极可以减小SOFC的残余应力和热应力。本研究基于COMSOL Multiphysics 6.0软件建立完整结构的SOFC多物理场耦合模型, 采用四种不同的分布曲线表征阳极材料的组分分布, 对功能梯度阳极SOFC的残余应力和运行热应力进行数值计算。结果表明, 电池在制备过程中, 使用功能梯度材料能显著减小阳极所受的拉应力, 该现象在常温下更加明显。二次曲线分布相比于无梯度分布, 还原前阳极的室温最大拉应力减小47.69%, 还原后室温最大拉应力减小35.74%。电池在运行过程中, 电化学反应产热和气体对流换热导致入口和出口形成温差, 金属框在出入口以及肋与电极接触的位置存在较大的应力集中现象。功能梯度材料可以显著减小阳极、金属框及电解质所受的最大应力, 其中材料组分为二次曲线分布时效果最明显。本研究对设计制造SOFC具有潜在的理论意义和工程价值。