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北理工團(tuán)隊(duì)在固體氧化物燃料電池研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展


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(tuán)隊(duì)在固體氧化物燃料電池氧電極材料設(shè)計(jì)方面取得新進(jìn)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(guó)化學(xué)會(huì)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(jí)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(qiáng)以及污染排放低等優(yōu)點(diǎn),,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(duì)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(diǎn)。

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(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)鈷鐵元素的析出,,導(dǎo)致體相的氧遷移空間擴(kuò)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(yàn)證了異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)電子重構(gòu)與氧離子遷移的作用,對(duì)具有高催化性能的氧電極材料發(fā)展起到了重要推進(jìn)作用,。

圖1 sp-PSFC異質(zhì)結(jié)的氧還原過(guò)程表征與機(jī)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(jì)算原理計(jì)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(jī)理示意圖,。

本工作得到了國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持,。

原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01249


附作者簡(jiǎn)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(dòng)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(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等多項(xiàng)。


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