Nature子刊：自組裝的雙相鈣鈦礦陰極用于中溫固體氧化物燃料電池

【引言】

固體氧化物燃料電池（SOFC）由于其高的能量效率以及對廢熱的持續利用用作輔助能源、分布式能源以及熱電聯供登吸引了越來越多的科學研究以及商業興趣。但是由于成本以及長期穩定性的原因，將其操作溫度降低至700℃以下是實現其實際應用的關鍵。但是為了達成該目標，研究重點主要集中在開發新型陰極材料來替代傳統的La_0.6Sr_0.4MnO₃(LSM的面電阻比陽極材料例如Ni金屬陶瓷大得多)。

【成果簡介】

近期，英國利物浦大學John B. Claridge教授和Matthew J. Rosseinsky教授（共同通訊作者）在Nature Energy發表題為“Self-assembled dynamic perovskite composite?cathodes for intermediate temperature solid?oxide fuel cells”的文章，在Ba_0.5Sr_0.8Co_0.8Fe_0.2O_3-δ陰極的基礎上在B位摻雜W形成了Ba_0.5Sr_0.5(Co_0.7Fe_0.3)_0.6875W_0.3125O_3-δ(BSCFW)自組裝組分的陰極材料，發現通過簡單的固相合成，包含B位有序的雙鈣鈦礦相以及無序的單鈣鈦礦相，這兩相協同作用，使得制得的BSCFW陰極材料不僅具有較低的面電阻，而且具有良好的長期穩定性。

【圖文導讀】

圖1?BSCFW的相圖以及晶體結構圖

（a,b）B位無序的單鈣鈦礦相（SP）以及B位有序的雙鈣鈦礦相（DP），A位離子用綠色的球表示，BO₆八面體在SP中用橘色球表示，在DP中用藍色和灰色的球表示；

（c）Ba_0.5Sr_0.5(Co_xFe_y)_1-zW_zO_3-δ的相圖；

圖2?BSCFW的X射線衍射圖譜

（a）制備的BSCFW,在空氣氣氛下750℃退火10天,在1%CO₂Ar氣氛下650℃退火5天,在Cr蒸汽氣氛下650℃退火7天以及與SDC質量比1:1?950℃焙燒3h后的XRD圖譜；

（b）制備的BSCFW以及經過650℃空氣氣氛長期面電阻測試60h后的XRD圖譜，SDC峰用星號表示，金峰用箭頭表示；

圖3?BSCFW的rietveld精修X射線衍射圖譜

（a）室溫下BSCFW實驗觀測（十字交叉曲線）的以及計算（紅色）的rietveld精修XRD曲線以及差異（藍色）曲線；

（b）600℃下BSCFW實驗觀測（十字交叉曲線）的以及計算（紅色）的rietveld精修XRD曲線以及差異（藍色）曲線；

?圖4?BSCFW的透射電子顯微鏡圖譜

（a）BSCFW的暗場像，DP（亮）用A表示，SP（暗）用B表示；

（b）從A點到B點的線性掃描EDS圖用來表示兩相組分的不同；

（c）SP晶粒,[112]晶軸以及DP晶粒界面的高分辨透射電子顯微圖；

圖5 BSCFW以及其它材料的面電阻和SEM表面形貌

（a）BSCFW在空氣氣氛下的面電阻與溫度的關系；

（b）空氣氣氛下650℃?BSCFW(黑色圓圈),商用BSCF(黑色方塊)，BSCF與BaSrCoWO₆?3:7wt%物理混合(藍色三角)以及商用LSCF(紅色方塊)在800℃下運行60h的面電阻；

（c-e）表面形貌的SEM圖，(c),BSCF; (d),BSCFW;(e)BSCF與BaSrCoWO₆?3:7wt%物理混合；

【小結】

該文章中，研究人員通過在BSCF的B位中摻入W元素，形成BSCFW的SP與DP兩相，通過兩相的協同作用，避免了具有催化活性的混合離子-電子導體的SP相的團聚，降低了面電阻并且使得新型的BSCFW陰極具有長期的穩定性。

文獻鏈接：Self-assembled dynamic perovskite composite cathodes for intermediate temperature solid oxide fuel cells?(Nature Energy, 2017, DOI: 10.1038/nenergy.2016.214)

本文由材料人新能源學術組 浮世夢?供稿，材料牛編輯整理。

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