深圳大学化学与环境工程学院范梁栋副教授团队在Nature Index期刊《Advanced Functional Materials》（中科院大类一区，TOP期刊）上发表了题为“Revisiting Mo-doped SrFeO3-δPerovskite: the Origination of Cathodic Activity and Longevity for Intermediate-Temperature Solid Oxide Fuel Cells”的研究论文。全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411025。范梁栋副教授为论文唯一通讯作者，深圳大学为第一和唯一通讯单位。
研究背景：
固体氧化物燃料电池（SOFC）因化学能到电能的高转化效率以及燃料灵活性而著名，是实现“双碳”目标的可持续发展重要技术。经典SOFC运行温度高，动力学速率快，但带了比较严重的组件劣化和性能衰减问题。降低SOFC操作温度成为当前研究趋势。随着温度的降低，SOFC组件中的氧还原催化活性下降，传统电极存在性能和稳定性的折中现象。混合离子/电子导电的钙钛矿氧化物SrFeO3因富独特的FeO6以及Fe的丰富价态以及与电解质材料非常好的热机械以及化学兼容性成为热门研究对象。其在先前的研究中主要用于SOFC的阳极，在还原性的阳极气氛中，为稳定立方结构，需要采用高价态元素如Mo、W、Ti、Nb等进行重掺杂，然后高价态掺杂及其稳定的价电子结构降低材料的导电率以及催化活性。SrFeO3本身具有优异的电催化氧还原能力，为了利用这一特性，论文采用少/微量掺杂方法，联合的史密斯酸度和平均金属-氧键能理论（图1）以及相应多维度（原位）实验和理论计算验证，证实只需要7%的Mo掺杂（vs. 25%的已有技术）即能稳定其晶体结构以及提高其催化活性，从而打破稳定性和性能平衡关系。
图1. SOFC工作原理以及本工作中采用Smith酸度理论示意图
研究亮点：
1．原位高温XRD证实只需微量(7% vs.经典25%)的Fe位掺杂就能稳定从常温到SOFC操作温度范围内的立方钙钛矿晶体结构，微量掺杂有效维持电催化活性和材料的电导率并稳定电极微结构。此外，基于史密斯酸度和平均金属氧键能（ABE）调节的组合策略研究证实少量Mo（7％）掺杂的有效抑制了Sr向氧化物表面的迁移和偏析的问题以及明显提高了抗CO2中毒能力，保证新电极材料在实际操作条件下的稳定性；
2．联合氧分压和原位阻抗技术深入研究了新型电极材料的氧还原动力学，确认氧还原的第一个电子转移过程为速控步骤。单相电极表现出同类型电极材料最佳ORR活性和单电池输出性能，Mo掺杂改性Fe3d和2p电子结构的重叠程度、降低氧空穴形成能和氧离子迁移能，引导高电化学性能。
3．证实了SFM0.07+GDC复合电极在实际SOFC条件下的实际应用潜力：复合电极在700oC至400oC之间以30oC/min的超快加热/冷却升温速率加速热循环操作保持极其稳定，并在0.7V恒定电压下稳定持续运行超750h。
未来展望：
本研究突破传统思维的桎梏，不但为固体氧化物燃料电池提供了新的电极材料，为未来设计和合成新型高温催化材料提供理论科学参考。
本研究得到了国家自然科学基金委面上项目、广东省科技厅基础与应用基础研究面上项目和台北科技大学-深圳大学合作专题研究项目的大力支持。
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411025.
撰稿：范梁栋 审核：郭凯、李永亮
科研动态