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近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院王振華教授和孫克寧教授團(tuán)隊(duì)在固體氧化物燃料電池氧電極材料設(shè)計(jì)方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“In Situ Self-Reconstructed Nanoheterostructure Catalysts for Promoting Oxygen Reduction Reaction”為題發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)能源旗艦期刊ACS Energy Letters上，并被遴選為封面文章。北京理工大學(xué)為唯一通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院王振華教授和孫克寧教授為共同通訊作者，化學(xué)與化工學(xué)院2021級(jí)博士研究生于曉丹為論文的第一作者。

固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs）是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的全固態(tài)陶瓷能量轉(zhuǎn)換裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料適應(yīng)性強(qiáng)以及污染排放低等優(yōu)點(diǎn)，在分布式電站、汽車(chē)輔助電源、家庭熱-電聯(lián)供及軍用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，陰極作為SOFCs的關(guān)鍵材料，對(duì)電池的輸出性能與壽命起到?jīng)Q定性作用。但氧電極側(cè)緩慢的氧還原反應(yīng)（Oxygen reduction reaction, ORR）始終制約了中低溫SOFCs的商業(yè)化發(fā)展，因此開(kāi)發(fā)催化活性更高的陰極材料是當(dāng)前SOFC研究的熱點(diǎn)。

本研究發(fā)展了一種與傳統(tǒng)復(fù)合方式不同的原位自構(gòu)建異質(zhì)界面的方法，將A缺位的(Pr_0.4Sr_0.6)_0.95Co_0.2Fe_0.8O_3-δ （簡(jiǎn)稱(chēng)PSFC）在還原氣氛下析出納米鈷鐵合金后，將合金氧化為納米鈷鐵尖晶石，形成鈣鈦礦表面原位復(fù)合納米尖晶石的異質(zhì)結(jié)構(gòu)Pr_0.4Sr_0.6Co_0.2Fe_0.8O₃-_δ-(Co_xFe_1-x)₃O₄ (簡(jiǎn)稱(chēng)sp-PSFC)。納米尖晶石的析出造成了異質(zhì)界面處的晶格畸變和電子重構(gòu)，使表面的氧吸附能降低，表面氧交換速率加快；拉伸應(yīng)變的形成降低鈷鐵之間的軌道雜化，使氧空位形成能降低；同時(shí)鈷鐵元素的析出，導(dǎo)致體相的氧遷移空間擴(kuò)張，遷移路徑上的相互作用降低，為體相氧離子提供了更多傳輸通道，氧遷移加快。該研究驗(yàn)證了異質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)電子重構(gòu)與氧離子遷移的作用，對(duì)具有高催化性能的氧電極材料發(fā)展起到了重要推進(jìn)作用。

圖1 sp-PSFC異質(zhì)結(jié)的氧還原過(guò)程表征與機(jī)制。(a)程序升溫脫附，(b)熱重與碘量滴定，(c)表面氧交換速率，(d)利用第一性計(jì)算原理計(jì)算氧吸附能，(e)和(f)單相材料PSFC與復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料sp-PSFC的結(jié)構(gòu)示意圖與氧還原機(jī)理示意圖。

本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（22078022、22178023、22179007）的資助和化學(xué)電源與綠色催化北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c01249

附作者簡(jiǎn)介：

于曉丹， 2017年本科畢業(yè)于南京理工大學(xué)，2020年獲北京理工大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，2020-2021年就職于濰柴動(dòng)力股份有限公司，2021年至今在北京理工大學(xué)攻讀博士學(xué)位。主要從事固體氧化物燃料電池電極材料開(kāi)發(fā)與扁管式燃料電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，作為第一作者在ACS Energy Letters、ACS Applied Energy Materials期刊上發(fā)表SCI論文2篇，參與重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等多項(xiàng)。