西安交通大學李長久教授Energ. Environ. Sci.：一種高性能、高穩定性的用于中溫固體氧化物電池的氧電極材料

【引言】

固體氧化物電池（SOC）是一類既可以將燃料高效清潔的轉化為電能（固體氧化物燃料電池模式，SOFC），又可將電能通過高溫電解的方式轉化為化學能而存儲（固體氧化物電解電池模式，SOEC）的裝置。SOC因其高效而環保的優點受到廣泛的關注及研究。然而，SOC的商業化發展仍然面臨許多關鍵問題，其中之一則是解決氧電極的壽命及成本問題。根據當前SOC的商業化設計需求，SOC氧電極不僅需要在700 °C以下具有較好的電化學催化性能，且應具有優異的穩定性，從而保證大于40000小時的壽命設計需求。當前已開發了種類繁多的氧電極材料，雖具有優異的電化學性能，然而電極性能通常隨運行時間的增加而不斷衰減，難以滿足SOC的壽命設計需求。同時，多數高性能氧電極材料含有大量的稀土元素，如何減少或避免稀土元素的使用而降低材料成本也是SOC氧電極材料開發所面臨的關鍵問題。

【成果簡介】

近日，西安交通大學李長久教授和美國西北大學的Scott A. Barnett教授 (共同通訊作者)等人在Energ. Environ. Sci.上發表了關于高穩定性SOC氧電極材料的文章，題為“Cobalt-substituted SrTi0.3Fe0.7O3-δ: a stable high-performance oxygen electrode material for intermediate-temperature solid oxide electrochemical cells”。作者報道了一類SOC氧電極材料：Sr(Ti_0.3Fe_0.7-xCo_x)O_3-δ （STFC）。STFC不僅具有良好的電化學催化性能，且具有優異的長期穩定性，同時，該類材料不含稀土元素，具有較低的成本。作者研究了Co摻雜量對電極催化性能的影響規律；發現少量Co的摻雜，可增加材料的電導率及氧空位濃度，同時顯著降低電極表面SrO的偏析，改善電極的氧表面交換系數及氧擴散系數，從而顯著提升電極的催化性能，而電極的穩定性則不受影響。700 °C，電流密度達到1 A/cm²時，無論在燃料電池還是在電解池模式下工作，STFC電極均表現出優異的長期穩定性。

【圖片導讀】

圖1 STF和STFC的基本性能

(a) XRD圖譜；

(b) 電導率；

(c) 氧非化學計量數；

(d) 熱膨脹系數。

圖2 絲網印刷制備的STFC電極微觀結構分析

(a) 斷面形貌；

(b) 斷面二維組織結構；

(c) FIB-SEM三維結構重建成像；

(d)通過三維結構重建所得到的微觀結構參數。

圖3 EIS極化阻抗的Nyquist和Bode圖

(a) 600℃；

(b) 700℃。

圖4 電極的穩定性及與LSCF電極材料的對比

(a, c) 無電流；

(b, d) 1 A cm^-2的直流電流。

圖5 ICP及XPS表面分析

(a) ICP測試電極表面SrO析出的量；

(b) XPS測試所得Co摻雜量對電極表面A位與B位陽離子比例的影響規律。

圖6 電化學性能分析

(a)燃料電池性能（3％H₂O + 97％H₂）；

(b) 電解池性能（50％H₂O + 50％H₂）。

【小結】

本文介紹了一種新型的氧電極材料Sr(Ti_0.3Fe_0.7-xCo_x)O_3-δ。作者通過B位Co的摻雜顯著地提升了SrTi_0.3Fe_0.7 O_3-δ材料的電導率及氧空位濃度，減少表面SrO的偏析，同時增加氧表面交換系數和氧擴散系數，從而顯著降低電極極化阻抗。同時，該類氧電極材料具有優異的穩定性。研究結果表明，STFC作為SOC新型氧電極材料具有較高的應用潛力及商業化價值。

研究團隊簡介：

本文由西安交通大學李長久教授團隊與美國西北大學Scott A. Barnett 教授團隊合作共同發表。論文第一作者為李長久教授團隊的青年教師張山林。李長久教授團隊在固體氧化物電池材料、結構設計及成型制備領域開展了大量的研究工作，特別是在燃料電池熱噴涂制備、大型管狀電池設計與制備領域取得了系列研究成果。西北大學Scott A. Barnett 教授團隊多年來一直從事固體氧化物電池的研究工作，在電池材料設計、電極微觀結構的三維重組分析、電池壽命預測及衰減機理等領域開展了大量的開創性工作。該研究成果得到了國家自然科學基金及國家留學基金委項目的支持。

文獻鏈接：Cobalt-substituted SrTi0.3Fe0.7O3-δ: a stable high-performance oxygen electrode material for intermediate-temperature solid oxide electrochemical cells (Energ. Environ. Sci., 09 May, 2018 , DOI: 10.1039/C8EE00449H)

本文由材料人編輯部納米學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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