原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Ren Q, Zhang Y, Tao H, et al. An innovative and facile synthesis route of (La, Sr)₂FeO_4+δ–La_0.4Sr_0.6FeO_3−δ composite as a highly stable air electrode for reversible solid oxide cell applications. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220938

1、导读

固体氧化物电池（Solid oxide cells, SOC）是一种高效的能源转换装置。在分布式发电、电解水制氢、二氧化碳转化利用、低碳冶金等领域都有广阔的应用前景。其中热循环稳定性是SOC技术商业化的关键挑战之一。Ruddlesden-Popper（R-P）氧化物具有与常用电解质如8YSZ匹配的热膨胀系数（TEC），是潜在的电极材料，然而其二维导电特性导致催化活性不足，因此，我们提出了一种双赢的自组装修饰策略，通过使用传统钙钛矿氧化物（La_0.4Sr_0.6FeO₃）来修饰R-P氧化物（La_0.8Sr_1.2FeO_4+δ），表现出高催化活性、热稳定性及化学稳定性。结果表明，这种通过自组装过程同时产生的双相复合物，具有出色的催化活性和稳定性，可以被认为是推进SOC发展的有效策略。

2、研究背景

固体氧化物电池在实际运行过程中，除了需要考虑催化活性外，还需要考虑用户的操作和维护时的温度波动带来的稳定性影响。不同SOC组件的TEC不匹配会导致温度波动期间产生热应力。这些应力可能会破坏组件之间接口的完整性，从而降低SOC的功率输出。因此，确保热循环稳定性是实现SOFC技术成功商业化必须解决的关键挑战。

Ruddlesden-Popper (R-P)结构材料的化学式为A_n+1B_nO_3n+1，具有与常见电解质匹配的热膨胀系数。与单一钙钛矿材料相比，除了存在于晶体结构中的固有晶格氧，R-P结构材料可以容纳AO岩盐层和ABO₃钙钛矿层之间额外的间隙氧(O_i)，这一特性增强了材料的氧表面交换能力，降低了其TEC。然而，R-P结构具有二维导电特性，传输主要发生在a-b平面内，沿c轴难以传输。因此，有必要对R-P结构材料进行改性，在不牺牲其稳定性的前提下增强其电荷转移能力，从而提高其催化活性。

提高R-P氧化物催化活性的最常见策略是引入第二相，正如上一节所述，通常选择萤石结构材料作为第二相。但萤石相的本征催化活性较弱，过多引入会降低材料整体的催化活性。因此，本工作拟引入具有立方结构和高催化活性的单一钙钛矿氧化物(La,Sr)FeO_3-δ (LSF-P)，促进电荷在不同取向的R-P结构氧化物(La,Sr)₂FeO_4+δ (LSF-RP)之间的传输，提高了复合电极的催化活性。

3、文章亮点

w 通过原位自组装法一步合成钙钛矿与R-P氧化物；

w 两相之间存在共格界面，立方LSF-P相与四方LSF-RP晶格以与c轴平行的方向连接；

w 修饰后电极展现出优异的抗热循环、抗充放电循环能力；

4、研究结果及结论

w LSF-P/LSF-RP两相空间群分别为Pm-3m和I4/mmm，两相以与c轴平行的方向连接；LSF-RP更为稳定，LSF-P的催化活性更好，随着LSF-P含量增加材料极化阻抗降低，10 mol.% LSF-P的引入(记为LSF-DP10) 展现出超出预期的阻抗降低，与30 mol.%引入量相当；800 °C时的氧表面交换系数由7.20 × 10^-6 cm s^-1显著提高到1.03 × 10^-5 cm s^-1。

w 确认氧气解离过程是LSF-P/LSF-RP电极的限速步骤，LSF-P相的引入同时增强了电荷转移与氧气解离过程；10 mol.% LSF-P引入的全电池，750 °C时，最大功率密度从226 mW cm^–2提高至583 mW cm^–2，提高约158%；在800 °C、1.3 V下，电解电流密度从529 mA cm^-2提高至705 mA cm^-2，提高约33%；

w LSF-P/LSF-RP电极展现出优异的抗热循环、抗充放电循环能力，经过20次热循环与25次充放电循环后电压电流依然保持稳定；同时，还展现出360 h以上的稳定放电运行。

5、作者及研究团队简介

朱良柱（通讯作者）：

中国科学院宁波材料技术与工程研究所，研究员，博士生导师,湖北汽车工业学院材料科学与工程学院兼职教授。入选国家及中国科学院人才计划，宁波市 “甬江引才”创新个人及宁波市“特优人才”，中国能源研究会燃料电池专业委员会委员。2009年中南大学本科毕业，2009年至2013年美国犹他大学H.Y.Sohn教授攻读博士学位，从事高温氧化物及模拟计算。2013年至2017年分别以博士后，副研究员身份在美国工程院院士Anil Virkar教授团队从事可逆固体氧化物电池及固态钠离子导体研究工作；2017年至2020年以研究助理教授及研究副教授身份在科罗拉多矿大先进能源材料实验室及科罗拉多燃料电池中心从事可逆氨燃料质子陶瓷电池及合成氨工作。2020年10月加入中国科学院宁波材料所固体氧化物燃料电池团队，从事可逆金属支撑燃料及质子陶瓷燃料和电池/电堆的研发。在Nature energy，Advanced functional materials, Journal of Advanced Ceramics, Journal of the electrochemical society, Communications Chemistry, Journal of power sources，，International journal of hydrogen energy等期刊发表论文50余篇(其中一作与通讯约30篇) ，参与编写及出版英文专著《High temperature electrolysis》，申请专利10余件，软著1件。

第一作者（共一）：任启航

中国科学技术大学纳米科学与技术学院硕士研究生：主要研究方向为固体氧化物燃料电池氧电极材料。

第一作者（共一）：张旸

中国科学院宁波材料技术与工程研究所助理研究员。长期从事固体氧化物电池电极材料可控合成等研究工作，在无机陶瓷电极材料的设计制备、电化学性能表征及电极反应机理过程解析等方面积累了丰富的研究经验和能力。主持国家自然科学基金1项，以一作/通讯身份发表论文10篇（Chem. Mater., J. Mater. Chem. A, J. Eur. Ceram. Soc.等），参与发表33篇（Adv. Energy Mater., ACS Nano, Appl. Catal., B）等，总引用超2000余次，申请专利17项。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

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