北理工團隊在固體氧化物燃料電池研究領(lǐng)域取得重要進展
發(fā)布日期：2022-08-13 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：段凱龍 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王振華教授和孫克寧教授團隊在固體氧化物燃料電池氧電極材料設(shè)計方面取得新進展,。相關(guān)研究成果以“In Situ Self-Reconstructed Nanoheterostructure Catalysts for Promoting Oxygen Reduction Reaction”為題發(fā)表在美國化學(xué)會能源旗艦期刊ACS Energy Letters上,，并被遴選為封面文章。北京理工大學(xué)為唯一通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院王振華教授和孫克寧教授為共同通訊作者,，化學(xué)與化工學(xué)院2021級博士研究生于曉丹為論文的第一作者,。
固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs）是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的全固態(tài)陶瓷能量轉(zhuǎn)換裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高,、燃料適應(yīng)性強以及污染排放低等優(yōu)點,，在分布式電站、汽車輔助電源,、家庭熱-電聯(lián)供及軍用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,。其中，陰極作為SOFCs的關(guān)鍵材料,，對電池的輸出性能與壽命起到?jīng)Q定性作用,。但氧電極側(cè)緩慢的氧還原反應(yīng)（Oxygen reduction reaction, ORR）始終制約了中低溫SOFCs的商業(yè)化發(fā)展，因此開發(fā)催化活性更高的陰極材料是當(dāng)前SOFC研究的熱點,。
本研究發(fā)展了一種與傳統(tǒng)復(fù)合方式不同的原位自構(gòu)建異質(zhì)界面的方法,，將A缺位的(Pr0.4Sr0.6)0.95Co0.2Fe0.8O3-δ （簡稱PSFC）在還原氣氛下析出納米鈷鐵合金后，將合金氧化為納米鈷鐵尖晶石,，形成鈣鈦礦表面原位復(fù)合納米尖晶石的異質(zhì)結(jié)構(gòu)Pr0.4Sr0.6Co0.2Fe0.8O3-δ-(CoxFe1-x)3O4 (簡稱sp-PSFC),。納米尖晶石的析出造成了異質(zhì)界面處的晶格畸變和電子重構(gòu)，使表面的氧吸附能降低,，表面氧交換速率加快,；拉伸應(yīng)變的形成降低鈷鐵之間的軌道雜化，使氧空位形成能降低,；同時鈷鐵元素的析出,，導(dǎo)致體相的氧遷移空間擴張，遷移路徑上的相互作用降低,，為體相氧離子提供了更多傳輸通道,，氧遷移加快。該研究驗證了異質(zhì)結(jié)構(gòu)對電子重構(gòu)與氧離子遷移的作用,，對具有高催化性能的氧電極材料發(fā)展起到了重要推進作用,。
圖1 sp-PSFC異質(zhì)結(jié)的氧還原過程表征與機制。(a)程序升溫脫附,，(b)熱重與碘量滴定,，(c)表面氧交換速率，(d)利用第一性計算原理計算氧吸附能,，(e)和(f)單相材料PSFC與復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料sp-PSFC的結(jié)構(gòu)示意圖與氧還原機理示意圖,。
本工作得到了國家自然科學(xué)基金（22078022、22178023,、22179007）的資助和化學(xué)電源與綠色催化北京市重點實驗室的支持,。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01249
附作者簡介：
于曉丹， 2017年本科畢業(yè)于南京理工大學(xué)，2020年獲北京理工大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)碩士學(xué)位,，2020-2021年就職于濰柴動力股份有限公司,，2021年至今在北京理工大學(xué)攻讀博士學(xué)位。主要從事固體氧化物燃料電池電極材料開發(fā)與扁管式燃料電池系統(tǒng)開發(fā),，作為第一作者在ACS Energy Letters,、ACS Applied Energy Materials期刊上發(fā)表SCI論文2篇，參與重點研發(fā)項目等多項,。
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