通过原位形成双相锶镧铁酸盐提高固体氧化物电池的性能和稳定性

固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效、清洁的先进能源转换技术，通过电化学反应将化学能直接转化为电能，可广泛应用于分布式和固定式发电。

在实际应用过程中，需要考虑用户的操作要求和维护需求。这可能会使设备处于温度波动频繁且明显的环境中。例如，在住宅应用中，SOFC系统可能会根据房主的要求经历频繁的激活和停用循环。

此外，SOFC的温度在运行过程中可能会发生变化。例如，当利用工业过程和火力发电厂产生的废热发电时，SOFC可能会遇到供热不稳定的情况。此外，SOFC运行区域的昼夜温差大或极端气象条件(如强风和降雪)也会导致温度波动很大。

不同SOFC组件的TEC不匹配会导致温度波动时产生热应力。这些应力可能会损害组件之间接口的完整性，从而降低SOFC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。

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所、浙江省先进燃料电池与电解技术重点实验室朱良柱等材料科学家团队提出通过自组装法合成单一钙钛矿氧化物修饰的RP结构氧化物，旨在提高RP结构氧化物的催化活性同时保持其稳定性。这项工作不仅展示了锶镧铁酸盐与电解质之间优异的膨胀匹配性，还揭示了其作为SOFC竞争性空气电极的巨大潜力。

“在本报告中，我们通过简单的自组装方法合成了双相La0.8Sr1.2FeO4+δ和La0.4Sr0.6FeO3-δ。引入具有立方结构和高催化活性的单一钙钛矿氧化物La0.4Sr0.6FeO3-δ(LSF-P)，以促进跨具有各种取向的RP结构氧化物La0.8Sr1.2FeO4+δ(LSF-RP)的电荷传输。

“这种方法克服了结构固有的各向异性，同时增强了复合电极的催化活性。LSF-RP和LSF-P粒子之间可能原位形成的紧密异质界面预计会加速电荷转移过程，从而增强ORR动力学。

“我们详细介绍了双相中LSF-P含量对相结构、热膨胀系数、电极反应动力学、热循环和可逆条件下的单电池性能的影响。结果表明，LSF-P的加入改善了氧表面交换动力学，降低了极化电阻，显著提高了单电池性能，同时不牺牲复合电极的稳定性，”中国科学院宁波材料技术与工程研究所朱良柱教授说。

“RP氧化物的TEC值与SOFC中常用的电解质相当。然而，值得注意的是，RP氧化物表现出二维传导。它们在氧离子和电子的扩散中表现出明显的各向异性，传输主要发生在ab平面内，沿c轴的移动最小。因此，需要修改RP结构材料以增强其电荷转移能力，从而提高其催化活性，而不会牺牲在SOFC中的应用稳定性，”LiangzhuZhu说。

提高RP氧化物催化活性的最常见策略是引入第二相。“机械混合是一种相对简单的引入第二相的方法。虽然机械混合可以在一定程度上提高电极性能，但它难以实现相的均匀分布，从而限制了它们之间的界面接触。渗透是引入第二相材料的另一种替代方法。

“然而，这是一个繁琐且耗时的过程，需要多步骤操作，”共同第一作者之一、中国科学院宁波材料技术与工程研究所博士后研究员张阳说。

“用于制造复合材料的自组装合成技术能够在单一、简化的操作中产生热力学稳定且均匀分散的双相结构。只需调整起始材料的比例，就可以精细地调整第二相的加入。

“此外，这种自组装方法有望在复合空气电极内创建大量异质结构界面，从而显著提高氧还原反应(ORR)的动力学。此外，该方法还有望通过优化ORR过程大大提高复合空气电极的性能。”朱良柱说。

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