南京工业大学邵宗平教授团队：阳离子选择性溶出的质子陶瓷燃料电池复合阴极

高性能质子陶瓷燃料电池（PCFCs）的阴极应具有优异的氧还原活性、高质子/氧离子/电子电导率和足够的运行稳定性，因此需要对电极材料的体相和表面性质进行优化。尽管还原性气氛溶出的纳米粒子对钙钛矿进行表面改性已被证明可有效改善电极的催化性能，但此类纳米粒子在氧化气氛下很容易重新进入钙钛矿晶格中，这使其很难作为高温燃料电池的阴极进行应用。近日，南京工业大学的邵宗平（点击查看介绍）团队通过调控A位阳离子缺陷实现了在氧化气氛下制备阳离子选择性溶出的钙钛矿基纳米复合材料Ba_0.95(Co_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1)_0.95Ni_0.05O_3-δ (BCFZYN-095) 作为PCFCs的阴极，研究了B位Ni离子在A位缺陷调控下的溶出现象以及BCFZYN-095的主相和NiO对PCFCs的氧还原活性的影响。

作者在研究中发现，当A位缺陷量为5 mol.%时，经过1000 °C煅烧，最终形成钙钛矿主相和NiO纳米颗粒的复合材料。A位阳离子缺陷可以有效地提高氧空位含量，进而较多的氧空位会导致阳离子溶出。由于Ni比Co和Fe更容易从钙钛矿晶格中溶出，以及Ni³⁺ (0.56 Å) 和Ni²⁺ (0.69 Å) 的离子半径差异相关的空间效应的影响，A位缺陷使得Ni最先溶出。这种电极由微量A位缺陷的钙钛矿主相和NiO纳米颗粒组成，钙钛矿主相中适当的阳离子缺陷促进了质子传导，而NiO纳米颗粒促进了氧表面交换过程，从而获得了优异的阴极性能。

图1. BCFZYN-095为阴极的阳极支撑单电池结构及反应机理图。

在550 °C时，基于BZCYYb电解质的BCFZYN-095对称电池的面积比阻抗仅为0.36 Ω cm²。同时，以BCFZYN-095为阴极的单电池的峰值功率密度达到了540 mW cm^-2，其性能优于大多数同结构的单电池。与文献中报道的PCFCs复合阴极的性能相比，BCFZYN-095阴极也表现出优异的电化学性能。此外，BCFZYN-095单电池具有出色的运行稳定性，其单电池在550 °C平稳运行约400小时，没有明显的性能衰减。因此，BCFZYN-095是一种适用于中低温下的PCFCs阴极材料。

图2. BCFZYN-095为阴极的电化学性能及稳定性测试

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梁明壮，通讯作者是南京工业大学的邵宗平教授和杨广明副教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A New Durable Surface Nanoparticles-Modified Perovskite Cathode for Protonic Ceramic Fuel Cells from Selective Cation Exsolution under Oxidizing Atmosphere

Mingzhuang Liang, Yijun Zhu, Yufei Song, Daqin Guan, Zhixin Luo, Guangming Yang*, San Ping Jiang, Wei Zhou, Ran Ran, Zongping Shao*

Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202106379

邵宗平教授简介

邵宗平，南京工业大学化工学院教授，博士生导师。2000年于中科院大连化物所获博士学位，2000年-2005分别于法国科学研究中心和美国加州理工学院从事博士后研究，2005年7月加入南京工业大学。在能源储存和环境催化领域长期从事高质量的、创新性的研究。在燃料电池、锂离子电池、低温催化、水处理、太阳能电池、混合导体透氧膜等方向具有丰富的研究经验。目前在国际主流期刊包括Nature，Nature Energy，Nature Communications，Science Advance等上发表论文700余篇。发表的论文引用近40000次，H-index为93；出版专著1本以及另外4本书中的重要章节。分别于2014、2017-2020年入选汤森路透工程领域全球高被引科学家，2015-2020年连续入选爱思唯尔中国高被引学者能源领域。是国际期刊Energy & Fuels、Materials Reports: Energy副主编，《南京工业大学学报（自然科学版）》、Scientific Report、Energy Science & Engineering及材料导报、热科学与技术等学术期刊编委，是Journal of Materials Chemistry A、Energy Materials、Exploration、Nanomaterials等期刊的顾问编委。

https://www.x-mol.com/university/faculty/11637