ACS Nano：鈣鈦礦在固體氧化物燃料電池舞臺上的跨界明星表演賽

背景簡介：

鈣鈦礦型材料在太陽能電池領域，因其能量轉換效率從2011（6.5%）到2015（19%）一路飆升，儼然成為新能源領域的明星。自然（Nature）于2016年5月16日在線發表題為“Strongly correlated perovskite fuel cells”的文章，將近年來的研究熱點——鈣鈦礦——又搬到了固體氧化物燃料電池（solid oxide fuel cell，SOFC）的舞臺上，來自美國哈佛大學的You Zhou和Shriram Ramanathan等人另辟新徑，將SmNiO₃（SNO）作固體電解質，以鎳酸鹽傳導質子，顯著提高低溫燃料電池電導率和穩定性【1】。

與此同時，ACS Nano近期在線發表了北京科技大學趙海雷教授課題組關于固體氧化物燃料電池的最新成果，鈣鈦礦一時間成了固體氧化物燃料電池舞臺上亮麗的明星【2】。其實，將鈣鈦礦引入固體燃料電池已不是新鮮事兒，早在2003年自然材料（nature mater.）就發布了東歐科學家將鈣鈦礦用于燃料電池陽極材料的文章【3】。但是，本期介紹的ACS Nano的亮點在于：原位脫溶復合納米催化劑。

圖文導讀：

研究人員首先制備了Sr₂FeMo_0.65Ni_0.35O_6?δ——純鈣鈦礦結構，然后在氫氣氣氛還原下，純相轉變成兩相，并包含脫溶出的FeNi₃雙金屬納米顆粒，相關的XRD表征結果如圖1所示：

圖1 850℃，10 h，H₂還原后的Sr₂FeMo_0.65Ni_0.35O_6?δ相的XRD衍射圖。

文章中認為表面脫溶出的納米粒子，阻礙了內部鈣鈦礦中元素的溶出，保證了其結構穩定。圖2的XPS信息，驗證了作者的猜測，只有少量零價Ni⁰和Fe⁰出現，大部分的Ni²⁺, Fe²⁺和Fe³⁺仍然存在于晶格當中。并且從XPS O1s分峰結果看，電解質表面吸附氧（Oad）濃度遠大于晶格中的氧（Olattice），在高溫下釋放，有利于活性位點的形成。

圖2 還原后的Sr₂FeMo_0.65Ni_0.35O_6?δ相XPS譜圖信息：(a) Ni 2p; (b) Fe 2p; (c) Mo 3d; and (d) O 1s。

圖3是作者得到的掃描電鏡（SEM）圖片，圖中明顯看出反應后表面有粒子溶出，并分布均勻。

圖3 掃描電鏡圖及其脫溶示意圖。a-b:反應前；c-d:反應后；e:反應前后示意圖。

圖4作者說明了高溫下甚至800℃仍有高達55.4 S cm?1的原因：Fe2+/Fe3+ 和 Mo5+/Mo6+氧化還原電對的存在，以及表面修飾的FeNi3合金提高電導率。高溫降低可能源于納米粒子的高溫不穩定性。

圖4 電導率隨溫度變化圖。插圖：低溫下線性關系的Arrhenius圖。

圖5a顯示850℃開路電壓為1.1V，接近理論值，功率密度也達960 mW cm^?2。同時，圖5b看出，750℃電壓輸出的穩定性也相當出色。

圖5 a:單電池氫氣氣氛（40 mL min^?1)測試，不同溫度，電壓以及功率密度和電流密度的曲線圖。b:在750 °C下恒定電流密度（0.55 A cm^?2 ）電壓時間圖。

展望：

文章亮點在于原位脫溶的Fe-Ni合金有效提高了電池反應的電化學性能，表面修飾的陶瓷陽極材料內部得以保護，這又增加了其穩定性。原位脫溶機制為后續制備高性能陽極材料提供了新穎的思路，將鈣鈦礦在固體氧化物燃料電池領域的研究又向前推進了一步！

文獻鏈接：High-Performance Anode Material Sr2FeMo0.65Ni0.35O6?δ with In Situ Exsolved Nanoparticle Catalyst（ACS Nano, 2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b03979）

參考文獻：

1. Zhou Y, Guan X, Zhou H, Ramadoss K, Adam S, Liu H, et al. Strongly correlated perovskite fuel cells. Nature 2016, 534(7606): 231-234.

2. Du Z, Zhao H, Yi S, Xia Q, Gong Y, Zhang Y, et al. High-Performance Anode Material Sr2FeMo0.65Ni0.35O6?δ with In Situ Exsolved Nanoparticle Catalyst. ACS Nano 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03979.

3. Boukamp BA. Fuel cells: The amazing perovskite anode. Nature materials 2003, 2(5): 294-296.

本文由材料人編輯部新能源學術組 pamperhey 供稿，點這里加入我們。歡迎關注微信公眾號，微信搜索“新能源前線”或掃碼關注。