北理工团队在固体氧化物燃料电池研究领域取得重要进展
近日，澳门新莆京娱乐娱城化学与化工学院王振华教授和孙克宁教授团队在固体氧化物燃料电池氧电极材料设计方面取得新进展。相关研究成果以“In Situ Self-Reconstructed Nanoheterostructure Catalysts for Promoting Oxygen Reduction Reaction”为题发表在美国化学会能源旗舰期刊ACS Energy Letters上，并被遴选为封面文章。澳门新莆京娱乐娱城为唯一通讯单位，化学与化工学院王振华教授和孙克宁教授为共同通讯作者，化学与化工学院2021级博士研究生于晓丹为论文的第一作者。
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs）是一种将化学能直接转化为电能的全固态陶瓷能量转换装置，具有能量转换效率高、燃料适应性强以及污染排放低等优点，在分布式电站、汽车辅助电源、家庭热-电联供及军用等领域具有广阔的应用前景。其中，阴极作为SOFCs的关键材料，对电池的输出性能与寿命起到决定性作用。但氧电极侧缓慢的氧还原反应（Oxygen reduction reaction, ORR）始终制约了中低温SOFCs的商业化发展，因此开发催化活性更高的阴极材料是当前SOFC研究的热点。
本研究发展了一种与传统复合方式不同的原位自构建异质界面的方法，将A缺位的(Pr0.4Sr0.6)0.95Co0.2Fe0.8O3-δ （简称PSFC）在还原气氛下析出纳米钴铁合金后，将合金氧化为纳米钴铁尖晶石，形成钙钛矿表面原位复合纳米尖晶石的异质结构Pr0.4Sr0.6Co0.2Fe0.8O3-δ-(CoxFe1-x)3O4 (简称sp-PSFC)。纳米尖晶石的析出造成了异质界面处的晶格畸变和电子重构，使表面的氧吸附能降低，表面氧交换速率加快；拉伸应变的形成降低钴铁之间的轨道杂化，使氧空位形成能降低；同时钴铁元素的析出，导致体相的氧迁移空间扩张，迁移路径上的相互作用降低，为体相氧离子提供了更多传输通道，氧迁移加快。该研究验证了异质结构对电子重构与氧离子迁移的作用，对具有高催化性能的氧电极材料发展起到了重要推进作用。
图1 sp-PSFC异质结的氧还原过程表征与机制。(a)程序升温脱附，(b)热重与碘量滴定，(c)表面氧交换速率，(d)利用第一性计算原理计算氧吸附能，(e)和(f)单相材料PSFC与复合异质结构材料sp-PSFC的结构示意图与氧还原机理示意图。
本工作得到了国家自然科学基金（22078022、22178023、22179007）的资助和化学电源与绿色催化北京市重点实验室的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01249
附作者简介：
于晓丹， 2017年本科毕业于南京理工大学，2020年获澳门新莆京娱乐娱城化学工程与技术专业硕士学位，2020-2021年就职于潍柴动力股份有限公司，2021年至今在澳门新莆京娱乐娱城攻读博士学位。主要从事固体氧化物燃料电池电极材料开发与扁管式燃料电池系统开发，作为第一作者在ACS Energy Letters、ACS Applied Energy Materials期刊上发表SCI论文2篇，参与重点研发项目等多项。