【原创】赵海雷团队：固体氧化物燃料电池高催化活性阴极材料SrFeFxO3-x-δ

研究背景

    固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种可以直接将燃料中的化学能转化为电能的能量转化装置，其能量转化过程不受卡诺循环的限制，具有较高的转化效率；同时，可适用多种燃料气体，产物清洁无污染。传统SOFC工作温度一般在800~1000 oC，如此高的工作温度会加剧电池组件之间的物质相互扩散，并对电池的密封、集流体的选择提出很大的挑战，影响系统的工作稳定性，阻碍SOFC的产业化进程。发展中低温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）是解决上述问题的重要策略之一。但是，随着电池运行温度的降低，传统的La1-xSrxMnO3（LSM）阴极材料极化电阻会急剧增加，导致电池功率密度大幅降低。因此研究开发新型高性能中低温阴极材料成为IT-SOFC进一步发展的关键。在所研究的各类IT-SOFC阴极材料中，SrFeO3-δ在立方结构时，由于具有良好的离子-电子混合导电能力、一定的催化活性、低廉的价格，受到人们的广泛关注。但是SrFeO3-δ在室温下通常为四方相结构，其离子电导率低且催化活性不理想，需要进一步进行改性研究。

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创新点及解决的问题

    本文通过在SrFeO3-δ基体材料中，利用F离子电价、半径、电负性与O离子的不同，通过F离子对O离子的取代，调整材料晶格结构，特别是调整晶格中氧离子与过渡金属离子之间的结合强度，进而改善氧离子的扩散能力和氧表面交换能力，增加电极的氧还原催化活性。所制备的SrFeFxO3-x-δ（SFFx，x=0、0.125、0.25）材料表现出较好的催化活性和阴极工作特性。本文系统分析讨论了F离子掺杂的作用机理，解析了电极反应动力学过程。

重点内容导读

   本文制备了F离子掺杂的SrFeFxO3-x-δ（SFFx，x=0、0.125、0.25）阴极材料，借助X射线衍射分析、扫描电子显微分析和电化学分析测试技术研究了F离子掺杂对SrFeFxO3-x-δ材料晶体结构、热膨胀、电化学性能等相关方面的影响。结果表明，F离子的引入可使材料在室温下保持立方结构，F离子掺杂显著提高SFFx的电子电导率、降低材料的热膨胀系数、提高材料的氧表面交换系数和体扩散系数，降低电极反应的极化电阻，改善材料的电化学催化特性。电极反应动力学过程研究表明，F掺杂可显著促进氧分子的解离过程，以SFFx与Sm0.2Ce0.8O2-δ（物质的量比1:1）的混合材料为复合阴极，以La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ（300 μm）为电解质并作为支撑体，NiO-Gd0.1Ce0.9O2-δ为阳极组装单电池。研究发现，F离子掺杂提高了电池的功率密度，当x=0.25时，700 oC和 850 oC时最大功率密度分别可达446和962 mW·cm-2。

图1 SFFx-SDC|LSGM|LDC|Ni-GDC单电池功率密度（a）x=0；（b）x=0.125；（c）x=0.25

结论

    当F掺杂量为0.25时，可将SFF0.25材料在室温下由四方相转变为立方相。F离子掺杂提高了材料的电子电导，降低了材料的热膨胀系数，有效促进氧分子解离过程，降低材料极化电阻。同时，F离子掺杂可显著改善材料氧表面交换系数和体扩散系数，从而提高其阴极氧化还原催化活性。掺杂量为0.25时，其极化阻抗在650 oC，700 oC，750 oC，800 oC，850 oC时分别为0.508 Ω cm2，0.173 Ω cm2，0.077 Ω cm2，0.039 Ω cm2和0.023 Ω cm2。以SFFx与SDC为复合阴极，以LSGM为电解质作为支撑体，Ni-GDC为阳极材料，LDC为阳极缓冲层组装单电池。F离子掺杂显著电池的功率密度，当掺杂量为0.25时，功率密度在850 oC时最高可达962 mW·cm-2。说明SrFeFxO3-x-δ是一类非常有发展潜力的阴极材料。

引用本文

    董旭, 杜志鸿, 张旸, 李科云, 赵海雷. 固体氧化物燃料电池高催化活性阴极材料SrFeFxO3-x-δ [J]. 储能科学与技术, 2020, 9(2): 415-424.

DONG Xu , DU Zhihong , ZHANG Yang , LI Keyun, ZHAO Hailei . SrFeFxO3-x-δ cathode with high catalytic activity for solid oxide fuel cells[J]. Energy Storage Science and Technology, 2020, 9(2): 415-424.

团队介绍

   第一作者：董旭，硕士研究生，研究方向为固体氧化物燃料电池阴极材料。

  通讯作者：赵海雷，教授，主要从事能量高效储存与转换技术研究，研究方向为锂/钠离子电池电极材料、固体氧化物燃料电池关键材料、混合导体材料等。

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