...理想的、用於中低溫固體氧化物燃料電池的非鈷基納米複合陰極材料

2020-12-05 學研天地

研究背景

燃料電池作為一種新型的能源技術，其最大的優點是能量轉化效率不受卡諾循環的限制。因此，相比於傳統的火力發電裝置，燃料電池具有更高的能源轉化效率（>60%）。在眾多的燃料電池中，固體氧化物燃料電池（SOFC）因具有全固態結構、易組裝、燃料多樣性和無需貴金屬催化劑的優點而受到科研工作者的廣泛關注。然而，SOFC技術商業化的最大障礙是其操作溫度過高。因此，開發低溫下具有高氧還原活性和穩定性的陰極材料是SOFC商業化的關鍵。

研究背景

近期，南京工業大學邵宗平研究團隊在非鈷基SOFC陰極方面取得重要進展。他們基於SrFeO3-δ（SF）單相鈣鈦礦陰極材料開發了一種組成為Sr0.9Ce0.1Fe0.8Ni0.2O3-δ（SCFN2）的非鈷基納米複合陰極材料（圖1a和b）。SCFN2由ABO3型鈣鈦礦氧化物主相、Ruddlesden-Popper（RP）型鈣鈦礦第二相和表面富集的納米NiO、CeO2相組成。SCFN2納米複合材料是基於高溫下自組裝合成方法製備的。通過這種方法，SCFN2陰極可自組裝形成具有不同功能的多相，並在納米區域中表現出較強的相互作用和良好的接觸，從而抑制納米顆粒的燒結並有效增加電極的電化學催化活性位點的數量。這一成果近期發表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是南京工業大學博士研究生宋羽飛。

圖文導讀

在SCFN2陰極材料中，RP型鈣鈦礦相促進氧離子的體相擴散，納米NiO相促進氧還原反應的表面過程，納米CeO2相促進促進O2-向SF基鈣鈦礦主相的遷移（圖1b）。這種複合材料呈現出足夠的電導率、較低的熱膨脹係數、優異的化學穩定性以及與其他電池組分良好的相容性。SCFN2複合陰極材料的ORR活性明顯優於單相SF鈣鈦礦陰極（圖1c），也優於大部分已報導的非鈷基陰極，甚至可以與高活性的鈷基鈣鈦礦陰極如Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ和BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ媲美。更重要的是，基於SCFN2陰極材料的單電池表現出優異的操作穩定性（圖2）。這項研究提出了一種新型的開發高性能SOFC陰極的策略，進而降低SOFC的操作溫度並加速其商業化。

圖1. （a）單相鈣鈦礦SF陰極的ORR示意圖；（b）基於鈣鈦礦的多相SCFN陰極材料的ORR示意圖；（c）基於SF和SCFN2陰極的單電池（構型為Ni-SDC|SDC|陰極）在450-650 ℃溫度區間內的輸出功率對比圖。

圖2. 基於SCFN2陰極的單電池（構型為Ni-SDC|SDC|SCFN2）在500 ℃、200 mA cm-2恆定電流下的操作穩定性。

文獻連結：

A Cobalt-Free Multi-Phase Nanocomposite as Near-Ideal Cathode of Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cells Developed by Smart Self-Assembly

Yufei Song, Yubo Chen, Meigui Xu, Wei Wang, Yuan Zhang, Guangming Yang, Ran Ran, Wei Zhou, Zongping Shao

Adv. Mater., 2020, 32, 1906979, DOI: 10.1002/adma.201906979

團隊簡介

邵宗平，南京工業大學，化工學院，教授，博士生導師。歐盟科學院院士、「國家百千萬人才工程」有突出貢獻的青年專家、長江學者、國家傑青。主要從事燃料電池、太陽能電池、光催化、電催化、鋰/鈉離子電池、水處理等領域的研究。已在Nature (2)、Nature Energy (1)、Nature Commun (5)等國際期刊發表SCI論文600餘篇。

王緯，南京工業大學，化工學院，江蘇特聘教授，碩士生導師。2013年博士畢業於南京工業大學，2013-2018年在澳大利亞科廷大學從事博士後研究。2019年入職南京工業大學從事科研和教學工作。主要研究方向為用於能源轉換裝置的鈣鈦礦材料的設計與開發，迄今在Joule、Chem. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等國際期刊發表SCI論文70餘篇。

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