作為最有前途的發電和存儲系統之一，可逆高溫固體氧化物燃料電池與電解池是核能綜合利用的關鍵研究內容，可結合核能等可再生能源實現高效地電-氫轉化，具有低碳、靈活、高效等特點，為未來的能源需求提供清潔和可持續的解決方案。近日，中國科學院上海應用物理研究所能源材料與化學研究部在高溫固體氧化物燃料電池與電解池方面取得了系列進展，相關成果陸續發表在Small Structure、Small Methods、The Innovation Materials等期刊。

為了尋找高催化活性、高穩定性、制備一致性的陰極材料，在題為“Key Roles of Initial Calcination Temperature in Accelerating the Performance in Proton Ceramic Fuel Cells via Regulating Three-dimensional Microstructure and Electronic Structure”（Small Structures,2024,2300439）一文中，作者以BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1O_3-δ（BCFZY）電極材料為例進行了詳細研究，對調整初始粉末的合成溫度(從700℃到1100℃)可以產生顯著不同的電化學性能給出了新的解釋。BCFZY800陰極在650 ℃時的峰值功率密度高達1.32 W cm-2，相比其他煅燒溫度下的樣品提升了37%?193%，且BCFZY800展現了超過500小時的高穩定性，并在電解模式下表現出優異的電解電流密度。這歸因于BCFZY800電極具有最佳的孔隙率和最多的活性位點，由FIB-SEM三維重構技術和X射線吸收譜技術所證實。文章被選為Small Structures封面文章，論文第一作者為博士研究生崔景贈，通訊作者為Guntae Kim、王建強、張林娟三位研究員。

為了解決工業應用中影響器件長期穩定性的界面分層問題，在題為“Suppressing Structure Delamination for Enhanced Electrochemical Performance of Solid Oxide Cells”一文中，作者以常見的空氣電極PrBa_0.8Ca_0.2Co₂O_5+δ (PBCC)、Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Co_0.2O_3-δ (BSCF)和La_0.8Sr_0.2MnO_3-δ (LSM)為例，首次利用微聚焦X射線吸收光譜(μ-XAS)觀察到活性位點(Co或Mn離子)從電極表面向電極/電解質界面的氧化態明顯降低(增加)。這是燃料電池(電解池)長時間測試后電極分層和降解的關鍵原因。為了解決這個問題，作者在這些傳統空氣電極中加入了氧氣空位富集相CeO₂，有效消除了這種長時間電化學操作下金屬離子價態不均勻現象。PBCC?CeO₂電極在650 ℃下運行近500小時，性能衰減速率僅為0.095 mV h^-1，遠低于傳統PBCC的衰減速率（0.907 mV h^-1）。文章已被期刊Small Methods接收，論文第一作者為博士研究生崔景贈，通訊作者為Guntae Kim、王建強、張林娟三位研究員。

為了應對工業制氫尾氣的氫氣提純挑戰，在題為“Micro-beam XAFS reveals in-situ 3D exsolution of transition metal nanoparticles in accelerating hydrogen separation”（The Innovation Materials 2024,2,100054）一文中，作者探討了向經典質子導體BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.1Yb_0.1O_3-δ(BZCYYb)鈣鈦礦結構中引入Fe、Co和Ni元素構建氫分離膜的可能，利用微聚焦X射線吸收光譜，觀察到在高溫氫氣環境下BZCYYbNi和BZCYYbCo膜內的Ni和Co元素被還原為具有電子導電和催化性能的金屬納米顆粒，該析出現象拓展到了厚度達 ~0.45mm的氫分離膜三維體相結構中。其中Ni摻雜BZCYYb的氫分離膜在800 ℃下實現了0.40 ml min^-1 cm^-2的氫分離性能，為實現高效氫分離打下基礎。文章發表在期刊The Innovation Materials上，論文第一作者為博士研究生朱健秋，通訊作者為王建強研究員、張林娟研究員，以及上海師范大學趙祥永教授。

以上研究得到了中國科學院儲能先導專項、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、面向二氧化碳的光子科學建制化研究平臺等項目的支持。（核能綜合利用中心-能源材料與化學研究部 供稿）

文章鏈接：

https://doi.org/10.1002/sstr.202300439

https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2024.100054

(a) Small Structure文章期刊封面；(b) Small Methods文章；(c) The Innovation Materials文章