Energy Reviews | 质子导体固体氧化物燃料电池阴极材料的近期展望
文章题目：A comprehensive review of recent progresses in cathode materials for Proton-conducting SOFCs
关键词：Solid oxide fuel cells; Perovskite oxides; Triple-conductivity; Catalytic activity; Permanent stability
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000251
近日，南华大学陶泽天教授团队在Energy Reviews发表文章“A comprehensive review of recent progresses in cathode materials for Proton-conducting SOFCs”, 该文章全面讨论了质子导体固体氧化物燃料电池中阴极材料的最新研究进展，详细介绍了不同类型的阴极材料及其性能，并探讨了它们在质子导电SOFCs中的应用前景，对于该领域的深入研究和改进质子导电SOFCs的阴极材料具有指导意义。
01 内容简介
1. Introduction （前言）
1.1. The working theory elucidated by first principles (第一原理阐明的工作机理)
2. High catalytic activity（高催化活性）
2.1. Inherent activity (内在活性)
2.1.1. Content of oxygen vacancies (氧空位含量)
2.1.2. Alkalinity of elements(K, Zn, Ca) (元素碱性K、Zn、Ca)
2.1.3. Ionic radius （离子半径）
2.1.4. Composite cathode（复合阴极）
2.2. Apparent activity （表观活性）
2.2.1. Nano-structure （2.2.1. 纳米结构）
2.2.2. 3D-structure（三维结构）
3. High permanent stability（高长期稳定性）
3.1. Chemical stability （化学稳定性）
3.1.1. Chromium poisoning （铬中毒）
3.1.2. CO2 tolerance （对CO2的耐受性）
3.2. Thermodynamic stability （热力学稳定性）
3.2.1. Doping （ 掺杂）
3.2.2. Composite cathode（ 复合阴极）
4. Summary and prospects（结论和展望）
02 内容亮点
1、文章对质子导体固体氧化物燃料电池（Proton-conducting SOFCs）进行了探讨， 展望了其相对于传统氧离子导电SOFCs的优势和应用前景;
2、讨论了不同类别的阴极材料的研究进展，包括钙钛矿、草履虫石、双钙钛矿和Ruddlesden-Popper相等，对每种材料的结构、性能和适用性进行了讨论;
3、介绍了通过掺杂和表面修饰来改善阴极材料性能和稳定性的方法，具体讨论了掺杂元素和表面修饰对阴极材料的影响；
4、指出了当前研究中存在的挑战，如提高阴极材料的稳定性、降低极化损失等，并提出了未来研究的方向和潜在的解决方案。
03 内容导读
由于化石燃料储量枯竭和减少碳排放的需求，可再生能源的需求不断增长。氢作为最适合的燃料之一，近年来得到了快速发展，并在多个领域得到了应用。燃料电池（FC）作为一种能源系统，具有低污染排放和高能量密度等优点，因此备受关注。燃料电池根据所使用的电解质材料可以分为不同类型，其中，SOFC具有灵活的燃料选择、低噪音、低CO2排放、长寿命和高转换效率等优势。因此，SOFC被广泛应用于电网、住宅电源、运输和其他地域应急电源等多个领域。
其中，质子导体固体氧化物燃料电池（H-SOFCs）使用质子而不是氧离子作为电解质，能够在较低温度下实现高效能工作，并且具有更好的抗碳积和稳定性。但要令其性能更好，对其阴极材料的结构进行改进是一个很好的选择。纳米结构的阴极具有高表面体积比和增强的反应性，但其机械强度和稳定性通常需要较高温度，不太实用。而渗透是一种高效的方法，通过创建多孔骨架陶瓷支架，并用含有所需组分的液相填充来形成所需的微观结构。渗透具有尺寸小、催化活性高等特点。浸渍溶液的选择决定了三种主要的浸渍方法：离子传导渗透、掺入额外的多元离子电导体颗粒、使用贵金属如Ag、Pt和Pd。
在H–SOFC的组装中，多个单电池使用金属互连材料相互连接，形成一个堆叠结构，满足大规模应用的电压和功率密度要求。陶瓷和金属材料被认为是互连材料的两个主要类别：具有高温抗氧化性的金属互连材料通常包含铝、硅或铬等掺杂元素，与环境反应形成保护性的氧化铝、二氧化硅或铬化物膜。虽然合金表面形成的氧化铝或氧化硅膜可以提供出色的氧化抗性，但它们的电导率比铬化物膜要低得多，导致电池中的欧姆损失显著增加，因此，含铬的互连材料被广泛使用。然而，在工作条件下，互连材料中的铬挥发会导致极化增加和材料分解，严重影响SOFC的稳定性。关于这些相在电池内沉积的确切机制，在文献中存在一些争议，文献中讨论的两个流行理论提出了铬物种沉积的机制：第一个理论认为，铬气体物种在三相界面电化学沉积；第二个理论假设，在阴极中存在的特定物种（如锰或锶）与含铬气体物种发生化学反应。承认不同阴极材料的沉积行为和铬中毒机制可能有所不同，因此，创造能够耐受铬中毒并减轻其不利影响的新型阴极材料至关重要。
04 重要结论
总之，质子导体固体氧化物燃料电池阴极的开发需要实现卓越的催化活性、持续的稳定性以及平衡质子、氧离子和电子的电导率，目前已取得了一些成就，但也面临着一些挑战。
首先，需要提高阴极的ORR活性水平，以提高电池的电化学性能，这可以通过调整和设计材料成分和电极结构来实现，如提高氧空位含量、掺杂金属碱度、优化A位离子半径等方法。此外，定制阴极表面微观形态也对增强质子传导至关重要。除了性能，电极寿命也是H-SOFC的关键因素，由负相发展和结构故障引起的性能下降可能会随时间推移而发生，为了实现化学稳定性，材料需要具有耐受环境触发因素（如铬和一氧化碳）的能力，并且需要考虑解决由热膨胀失配引起的热应力问题。解决这些稳定性挑战需要综合考虑材料选择、设计优化和工程方法。
此外，尽管在阴极极材料研究方面取得了巨大进展，但仍需要解决几个关键问题，这些问题也是未来阴极研究的主要方向，其中包括平衡三重传导行为、优化电极结构和设计、深入研究质子传导机制等。通过解决这些问题，利用正在进行的研究和技术进步，可以推动H-SOFC的进一步发展和商业化，这将充分发挥H-SOFC作为高效和商业上可行的能量转换器件的潜力。
作者简介：
陶泽天，南华大学资源环境与安全工程学院教授。主要研究方向为固体氧化物燃料电池及电解池，低温电催化材料。近年来在电池材料制备、电解水制氢、阳极抗积碳以及新型质子导体材料等方面开展了综合性的研究工作，取得了一系列原创性研究成果。主持和参与国家、省部级和地方科研项目多项；担任SCI期刊J.Power Sources、ElectrochimicaActa、International Journal of Hydrogen Energy等SCI期刊特邀审稿人，中国化学会会员。相关研究工作以第一作者或通讯作者在Progress in Materials Science、J. Am. Chem. Soc.、Applied Energy、J. Power Sources等国际顶级期刊发表高水平学术论文30余篇，其中JCR一区论文22篇。
Energy Reviews
简介
《Energy Reviews》是由深圳大学主办，联合 Elsevier出版集团创办的一本国际性、跨学科、高质量开放获取 (Open Access) 学术期刊，由谢和平院士担任创刊主编，美国工程院Derek Elsworth院士、中国科学院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大学倪萌教授担任联合主编。发表能源领域前沿方向、最新进展、发展趋势、权威观点等高质量学术文章，构建全球能源一流成果和一流学者的合作交流平台，向公众传播有影响力的能源领域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理论、新方法和新技术; 能源研究的多学科（材料、物理、化学、生物等）交叉融合探索技术; 化石能源低碳利用与CCUS; 氢能、可再生能源与储能先进技术; 新型能源转换方式探索与应用; 能源领域现代信息技术（人工智能，大数据）等相关方向的优质稿件。
"关注前沿 | 引领趋势"
