Nature子刊：自组装的双相钙钛矿阴极用于中温固体氧化物燃料电池

【引言】

固体氧化物燃料电池（SOFC）由于其高的能量效率以及对废热的持续利用用作辅助能源、分布式能源以及热电联供登吸引了越来越多的科学研究以及商业兴趣。但是由于成本以及长期稳定性的原因，将其操作温度降低至700℃以下是实现其实际应用的关键。但是为了达成该目标，研究重点主要集中在开发新型阴极材料来替代传统的La_0.6Sr_0.4MnO₃(LSM的面电阻比阳极材料例如Ni金属陶瓷大得多)。

【成果简介】

近期，英国利物浦大学John B. Claridge教授和Matthew J. Rosseinsky教授（共同通讯作者）在Nature Energy发表题为“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阴极的基础上在B位掺杂W形成了Ba_0.5Sr_0.5(Co_0.7Fe_0.3)_0.6875W_0.3125O_3-δ(BSCFW)自组装组分的阴极材料，发现通过简单的固相合成，包含B位有序的双钙钛矿相以及无序的单钙钛矿相，这两相协同作用，使得制得的BSCFW阴极材料不仅具有较低的面电阻，而且具有良好的长期稳定性。

【图文导读】

图1 BSCFW的相图以及晶体结构图

（a,b）B位无序的单钙钛矿相（SP）以及B位有序的双钙钛矿相（DP），A位离子用绿色的球表示，BO₆八面体在SP中用橘色球表示，在DP中用蓝色和灰色的球表示；

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

图2 BSCFW的X射线衍射图谱

（a）制备的BSCFW,在空气气氛下750℃退火10天,在1%CO₂Ar气氛下650℃退火5天,在Cr蒸汽气氛下650℃退火7天以及与SDC质量比1:1 950℃焙烧3h后的XRD图谱；

（b）制备的BSCFW以及经过650℃空气气氛长期面电阻测试60h后的XRD图谱，SDC峰用星号表示，金峰用箭头表示；

图3 BSCFW的rietveld精修X射线衍射图谱

（a）室温下BSCFW实验观测（十字交叉曲线）的以及计算（红色）的rietveld精修XRD曲线以及差异（蓝色）曲线；

（b）600℃下BSCFW实验观测（十字交叉曲线）的以及计算（红色）的rietveld精修XRD曲线以及差异（蓝色）曲线；

 图4 BSCFW的透射电子显微镜图谱

（a）BSCFW的暗场像，DP（亮）用A表示，SP（暗）用B表示；

（b）从A点到B点的线性扫描EDS图用来表示两相组分的不同；

（c）SP晶粒,[112]晶轴以及DP晶粒界面的高分辨透射电子显微图；

图5 BSCFW以及其它材料的面电阻和SEM表面形貌

（a）BSCFW在空气气氛下的面电阻与温度的关系；

（b）空气气氛下650℃ BSCFW(黑色圆圈),商用BSCF(黑色方块)，BSCF与BaSrCoWO₆ 3:7wt%物理混合(蓝色三角)以及商用LSCF(红色方块)在800℃下运行60h的面电阻；

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

【小结】

该文章中，研究人员通过在BSCF的B位中掺入W元素，形成BSCFW的SP与DP两相，通过两相的协同作用，避免了具有催化活性的混合离子-电子导体的SP相的团聚，降低了面电阻并且使得新型的BSCFW阴极具有长期的稳定性。

文献链接：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学术组 浮世梦 供稿，材料牛编辑整理。

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