【能源】一种基于自组装开发的、近乎理想的、用于中低温固体氧化物燃料电池的非钴基纳米复合阴极材料

燃料电池作为一种新型的能源技术，其最大的优点是能量转化效率不受卡诺循环的限制。因此，相比于传统的火力发电装置，燃料电池具有更高的能源转化效率（>60%）。在众多的燃料电池中，固体氧化物燃料电池（SOFC）因具有全固态结构、易组装、燃料多样性和无需贵金属催化剂的优点而受到科研工作者的广泛关注。然而，SOFC技术商业化的最大障碍是其操作温度过高。因此，开发低温下具有高氧还原活性和稳定性的阴极材料是SOFC商业化的关键。

近期，南京工业大学邵宗平研究团队在非钴基SOFC阴极方面取得重要进展。他们基于SrFeO_3-δ（SF）单相钙钛矿阴极材料开发了一种组成为Sr_0.9Ce_0.1Fe_0.8Ni_0.2O_3-δ（SCFN2）的非钴基纳米复合阴极材料（图1a和b）。SCFN2由ABO₃型钙钛矿氧化物主相、Ruddlesden-Popper（RP）型钙钛矿第二相和表面富集的纳米NiO、CeO₂相组成。SCFN2纳米复合材料是基于高温下自组装合成方法制备的。通过这种方法，SCFN2阴极可自组装形成具有不同功能的多相，并在纳米区域中表现出较强的相互作用和良好的接触，从而抑制纳米颗粒的烧结并有效增加电极的电化学催化活性位点的数量。在SCFN2阴极材料中，RP型钙钛矿相促进氧离子的体相扩散，纳米NiO相促进氧还原反应的表面过程，纳米CeO₂相促进促进O^2-向SF基钙钛矿主相的迁移（图1b）。这种复合材料呈现出足够的电导率、较低的热膨胀系数、优异的化学稳定性以及与其他电池组分良好的相容性。SCFN2复合阴极材料的ORR活性明显优于单相SF钙钛矿阴极（图1c），也优于大部分已报导的非钴基阴极，甚至可以与高活性的钴基钙钛矿阴极如Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O_3-δ和BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1O_3-δ媲美。更重要的是，基于SCFN2阴极材料的单电池表现出优异的操作稳定性（图2）。这项研究提出了一种新型的开发高性能SOFC阴极的策略，进而降低SOFC的操作温度并加速其商业化。

图1. （a）单相钙钛矿SF阴极的ORR示意图；（b）基于钙钛矿的多相SCFN阴极材料的ORR示意图；（c）基于SF和SCFN2阴极的单电池（构型为Ni-SDC|SDC|阴极）在450-650 ℃温度区间内的输出功率对比图。

图2. 基于SCFN2阴极的单电池（构型为Ni-SDC|SDC|SCFN2）在500 ℃、200 mA cm^-2恒定电流下的操作稳定性。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是南京工业大学博士研究生宋羽飞。