北理工團(tuán)隊在質(zhì)子陶瓷燃料電池研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-07-22 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
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近日,，北京理工大學(xué)孫克寧教授團(tuán)隊在質(zhì)子陶瓷燃料電池氧電極材料設(shè)計方面取得新進(jìn)展,，相關(guān)研究成果以“Fluorination Inductive Effect Enables Rapid Bulk Proton Diffusion in BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ Perovskite Oxide for High-Activity Protonic Ceramic Fuel Cell Cathode”為題發(fā)表在國際期刊Applied Catalysis B: Environmental上（IF="24.319），北京理工大學(xué)為唯一通訊單位,，化學(xué)與化工學(xué)院孫克寧教授和王振華教授為文章共同通訊作者,，博士后任戎征為該論文的第一作者。
質(zhì)子陶瓷燃料電池（Protonic Ceramic Fuel Cell,，PCFC）是一種以質(zhì)子導(dǎo)體為電解質(zhì)的固體氧化物燃料電池,，具有環(huán)境效應(yīng)好、能量轉(zhuǎn)化效率高,、燃料適應(yīng)性強(qiáng)以及溫度依賴性低等優(yōu)點,，在大型集中供電、分布式發(fā)電,、家用熱電聯(lián)供系統(tǒng),、以及船舶車輛動力電源等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。氧電極是影響PCFC發(fā)電效率的關(guān)鍵部件之一,，其核心功能是催化氧氣分子,、電子以及質(zhì)子這三者之間的電化學(xué)反應(yīng)。在氧電極的體相引入質(zhì)子導(dǎo)電功能可以增加氧電極的活性位點,，是提高氧電極催化活性的核心手段,。由于質(zhì)子在氧電極中屬于外源性物種，設(shè)計具有本征質(zhì)子導(dǎo)電性質(zhì)的氧電極材料仍具有非常大的挑戰(zhàn),，近年來引起了研究者們的重點關(guān)注,。
為了實現(xiàn)質(zhì)子在氧電極中的快速擴(kuò)散，團(tuán)隊在前期研究中分別提出了氧空位推動（J. Mater. Chem. A, 2019,7, 18365-18372）以及氧離子堿性調(diào)控（ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 5, 4914-4922）等手段,，有效提高了鈣鈦礦氧電極中質(zhì)子缺陷的濃度和穩(wěn)定性,。在這些研究基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊繼續(xù)提出了氟化誘導(dǎo)機(jī)制,，對鈣鈦礦氧化物進(jìn)行氟化處理,，利用氟原子的高電負(fù)性調(diào)控質(zhì)子與氧離子之間的相互作用，促進(jìn)了質(zhì)子在氧離子之間的快速遷移,。實驗和理論計算研究共同表明,，氟原子的引入會產(chǎn)生強(qiáng)烈的誘導(dǎo)效應(yīng)，一方面可增加鈣鈦礦氧電極中金屬氧鍵的極化度,，促進(jìn)外源性質(zhì)子進(jìn)入電極體相中,，同時氟原子會減小氧原子周圍的電荷密度,，減弱氧原子對質(zhì)子的束縛作用，促進(jìn)質(zhì)子在相鄰氧原子上的躍遷,。氟化鈣鈦礦的質(zhì)子擴(kuò)散系數(shù)可達(dá)1.21 × 10?5 cm2·s?1,，是未氟化鈣鈦礦材料的三倍之多（4.30 × 10?6 cm2·s?1）。以氟化鈣鈦礦為氧電極的PCFC在650°C的工作溫度下功率密度達(dá)到了921 mWcm?2,。這一研究對設(shè)計具有高質(zhì)子傳輸特性材料具有啟發(fā)意義,，可廣泛用于質(zhì)子導(dǎo)體基電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化裝置中，例如,，CO2和H2O的共轉(zhuǎn)化,、水分解和氨合成。
氟化鈣鈦礦氧化物作為氧電極的PCFC電化學(xué)性能
上述研究得到了國家自然科學(xué)基金（22078022,、22178023,、22179007）以及中國博士后科學(xué)基金（2021M690379）的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121759
附作者簡介：
任戎征,，2015年畢業(yè)于北京理工大學(xué)能源化學(xué)工程專業(yè),，獲學(xué)士學(xué)位，2015-2020年在北京理工大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)碩博連讀,，2020年至今在北京理工大學(xué)從事博士后研究,。主要從事固體氧化物燃料電池/電解池方面的研究,，迄今作為第一作者在Appl. Catal. B-Environ.,，J. Mater. Chem. A，ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上發(fā)表SCI論文5篇,，引用150余次,，主持中國博士后科學(xué)基金面上項目1項，參與國家自然科學(xué)基金面上項目等多項,。
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