西安交通大学李长久教授Energ. Environ. Sci.：一种高性能、高稳定性的用于中温固体氧化物电池的氧电极材料

【引言】

固体氧化物电池（SOC）是一类既可以将燃料高效清洁的转化为电能（固体氧化物燃料电池模式，SOFC），又可将电能通过高温电解的方式转化为化学能而存储（固体氧化物电解电池模式，SOEC）的装置。SOC因其高效而环保的优点受到广泛的关注及研究。然而，SOC的商业化发展仍然面临许多关键问题，其中之一则是解决氧电极的寿命及成本问题。根据当前SOC的商业化设计需求，SOC氧电极不仅需要在700 °C以下具有较好的电化学催化性能，且应具有优异的稳定性，从而保证大于40000小时的寿命设计需求。当前已开发了种类繁多的氧电极材料，虽具有优异的电化学性能，然而电极性能通常随运行时间的增加而不断衰减，难以满足SOC的寿命设计需求。同时，多数高性能氧电极材料含有大量的稀土元素，如何减少或避免稀土元素的使用而降低材料成本也是SOC氧电极材料开发所面临的关键问题。

【成果简介】

近日，西安交通大学李长久教授和美国西北大学的Scott A. Barnett教授 (共同通讯作者)等人在Energ. Environ. Sci.上发表了关于高稳定性SOC氧电极材料的文章，题为“Cobalt-substituted SrTi0.3Fe0.7O3-δ: a stable high-performance oxygen electrode material for intermediate-temperature solid oxide electrochemical cells”。作者报道了一类SOC氧电极材料：Sr(Ti_0.3Fe_0.7-xCo_x)O_3-δ （STFC）。STFC不仅具有良好的电化学催化性能，且具有优异的长期稳定性，同时，该类材料不含稀土元素，具有较低的成本。作者研究了Co掺杂量对电极催化性能的影响规律；发现少量Co的掺杂，可增加材料的电导率及氧空位浓度，同时显著降低电极表面SrO的偏析，改善电极的氧表面交换系数及氧扩散系数，从而显著提升电极的催化性能，而电极的稳定性则不受影响。700 °C，电流密度达到1 A/cm²时，无论在燃料电池还是在电解池模式下工作，STFC电极均表现出优异的长期稳定性。

【图片导读】

图1 STF和STFC的基本性能

(a) XRD图谱；

(b) 电导率；

(c) 氧非化学计量数；

(d) 热膨胀系数。

图2 丝网印刷制备的STFC电极微观结构分析

(a) 断面形貌；

(b) 断面二维组织结构；

(c) FIB-SEM三维结构重建成像；

(d)通过三维结构重建所得到的微观结构参数。

图3 EIS极化阻抗的Nyquist和Bode图

(a) 600℃；

(b) 700℃。

图4 电极的稳定性及与LSCF电极材料的对比

(a, c) 无电流；

(b, d) 1 A cm^-2的直流电流。

图5 ICP及XPS表面分析

(a) ICP测试电极表面SrO析出的量；

(b) XPS测试所得Co掺杂量对电极表面A位与B位阳离子比例的影响规律。

图6 电化学性能分析

(a)燃料电池性能（3％H₂O + 97％H₂）；

(b) 电解池性能（50％H₂O + 50％H₂）。

【小结】

本文介绍了一种新型的氧电极材料Sr(Ti_0.3Fe_0.7-xCo_x)O_3-δ。作者通过B位Co的掺杂显著地提升了SrTi_0.3Fe_0.7 O_3-δ材料的电导率及氧空位浓度，减少表面SrO的偏析，同时增加氧表面交换系数和氧扩散系数，从而显著降低电极极化阻抗。同时，该类氧电极材料具有优异的稳定性。研究结果表明，STFC作为SOC新型氧电极材料具有较高的应用潜力及商业化价值。

研究团队简介：

本文由西安交通大学李长久教授团队与美国西北大学Scott A. Barnett 教授团队合作共同发表。论文第一作者为李长久教授团队的青年教师张山林。李长久教授团队在固体氧化物电池材料、结构设计及成型制备领域开展了大量的研究工作，特别是在燃料电池热喷涂制备、大型管状电池设计与制备领域取得了系列研究成果。西北大学Scott A. Barnett 教授团队多年来一直从事固体氧化物电池的研究工作，在电池材料设计、电极微观结构的三维重组分析、电池寿命预测及衰减机理等领域开展了大量的开创性工作。该研究成果得到了国家自然科学基金及国家留学基金委项目的支持。

文献链接：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)

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