近日，大湾区大学（筹）物质科学学院奚修安课题组与深圳大学骆静利院士团队合作，在固体氧化物燃料电池(SOFC)钙钛矿阴极和阳极电催化材料方面取得新进展，大幅提升了SOFC在中低温下的功率密度输出和长期服役稳定性，相关工作先后发表在国际权威期刊Advanced Functional Materials (IF:18.5) 和Applied Catalysis B-Environment and Energy (IF:20.2)上。
奚修安助理教授为两篇论文的第一通讯作者，大湾区大学（筹）物质科学学院为两篇工作的通讯单位，相关成果得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市孔雀团队等项目的资助与支持。
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效的全固态发电装置，能在中高温条件下直接将燃料与氧化剂中的化学能转化为电能。它不仅具备燃料多样化的特点（氢气、天然气、氨气、甲醇、乙醇等），还以排气干净、低噪音、低环境污染及高可靠性等优势著称，被誉为继水力、火力、核能之后的第四代发电技术。
目前，Ni基陶瓷复合材料是阳极材料的主流选择。然而，使用碳氢化合物为燃料时，Ni基阳极易产生碳沉积，进而覆盖活性位点，影响性能。近年来，钙钛矿结构氧化物阳极材料逐渐受到关注，如Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ (SFM)。这类材料不仅展现出混合的离子电导和电子电导特性，还具备良好的抗硫、抗积碳能力。但遗憾的是，其催化活性远低于镍基金属材料。为解决这一问题，钙钛矿氧化物B位原位析出金属催化剂成为了一种有效的改进策略。然而，这一过程中B位金属元素的析出往往伴随着A位SrO的偏析，由于SrO既不具备电子导电性也不具备氧离子导电性，从而导致催化活性和稳定性的显著下降。因此，如何同步提升钙钛矿氧化物阳极材料的催化反应活性和服役稳定性，成为推动SOFC商业化应用所面临的一项新的严峻挑战。
另一个限制SOFC商业化应用的关键问题是过高的运行温度。高温不仅增加了系统成本，还容易导致电池组件之间的热膨胀不匹配和长期不稳定性，从而降低电池寿命。降低SOFC的运行温度是解决这些问题的有效途径。然而，降低温度会导致电极的极化电阻急剧增加，特别是低温下阴极氧还原（ORR）的活性，进而导致电池功率密度随温度降低衰减较快。因此，如何提高阴极材料在低温下的ORR反应活性是构建高性能SOFC的另一个关键难题。
针对上述第一个问题，奚修安课题组巧妙地运用了PrOx的独特性质——即兼具混合离子电导与电子电导的能力、较高的表面氧交换系数，以及相较于SrO在热力学上更易偏析的能力。通过精确调控SFM晶格结构中A位Sr元素部分被Pr元素取代，以及B位Mo元素部分被Ni元素取代，经还原处理，成功在PSFMN钙钛矿表面原位析出了Fe-Ni合金颗粒，同时实现了PrOx的偏析而非SrO。此举不仅显著增强了SFM钙钛矿阳极材料的催化活性，还进一步优化了其长期服役的稳定性，为提升SOFC的电化学性能与稳定性开辟了一条新路径。
图1. SFM晶格结构中，原位析出Fe-Ni合金和PrOx的结构形貌图
针对上述第二个问题，奚修安课题组巧妙地在PBSCF阴极材料中引入了SZM负热膨胀材料，成功构建了界面晶格应变，显著降低了氧空位的形成能垒。这一创新举措在界面处催生了大量的氧空位缺陷，极大地促进了O2分子在表面的吸附与解离过程，大幅度降低了ORR反应过程的极化阻抗，显著提升了阴极材料在中低温条件下的ORR活性。在700℃的温度下，通过商业NiO-YSZ/YSZ/GDC/阴极材料电池构型的测试，结果显示该电池的峰值功率密度高达1.64 W cm-2，相较于单相PBSCF材料，其性能提升了惊人的51.8%。这一研究成果无疑为中低温SOFC阴极材料的结构设计开辟了新的视角与思路。
图2. PBSCF阴极材料中引入了SZM负热膨胀材料对电池性能的影响
https://doi.org/10.1002/adfm.202412486 https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124509
课题组主要聚焦于固体氧化物燃料电池/电解电池材料及其器件的研究开发。目前学院及课题组已投入建设了一系列先进的研究设施，包括电池制备、性能测试及结构表征所需的主要设备：如各类型马弗炉和管式炉、激光脉冲沉积设备、测试反应床、电化学工作站，气相色谱-质谱联用仪、原位微分电化学质谱仪、全自动化学吸附仪、变温原位XRD、变温原位红外、高温高压原位拉曼、X射线光电子能谱仪、X射线吸收精细结构谱仪以及材料计算平台等。
诚邀感兴趣的博士后、研究员、联培博士生和硕士生加盟。
