渤海大学姚传刚＆蔡克迪ACS Sustain. Chem. Eng.：一种具备高效ORR催化活性以及CO2耐受性的双钙钛矿型SOFC阴极质料 – 质料牛
【钻研布景】
面临能源惊险以及情景传染，渤海备高固体氧化物燃料电池(SOFC)因展现出卓越的大学迪A的双能源转换功能、燃料多样性以及情景友好的姚传阴极特色被以为是一种有远景的能源转换技术。可是刚＆钙钛，较高的蔡克催化使命温度(850-1000 °C)限度了SOFC的商业化睁开。当初的种具质料质料钻研重点是飞腾SOFC的使命温度，可是活性，飞腾使命温度会使阴极的耐牛极化电阻快捷削减，飞腾氧复原反映（ORR）活性，受性SOFC的矿型输入功能也会随之飞腾。因此，渤海备高开拓高效ORR电化学活性的大学迪A的双阴极至关紧张。LnBaCo2O5+δ双钙钛矿具备较高的姚传阴极电子/离子电导率、快捷的刚＆钙钛氧概况交流以及氧散漫能耐，是蔡克催化一种有远景的SOFC阴极质料。可是，该类质料的热缩短系数较大，与罕用的电解质质料不立室。此外，含有Sr或者Ba等碱土金属元素的双钙钛矿型阴极质料易于CO2反映，在阴极概况熟成碳酸盐，从而影响电池的输入功能。因此，有需要计划一种策略，飞腾钴基双钙钛矿型阴极质料热缩短系数，同时，提升其ORR催化活性以及CO2耐受性。
【使命介绍】
克日渤海大学姚传刚副教授、蔡克迪教授、陈思庚硕士钻研生经由Cu异化的策略，对于钴基双钙钛矿质料NdBa0.5Sr0.5Co2O5+δ(NBSC)妨碍了功能优化。经由X射线罗致近边妄想谱(XANES)、弛豫光阴扩散(DRT)、平均成键能(ABE)以及密度泛函实际(DFT)等对于测试服从妨碍了深入合成。服从表明，在Co位引入Cu，可能实用调控资料中的氧空地浓度及Co3+/Co4+的比例，从而增强ORR历程中的电荷转移以及氧的解离历程，不光飞腾了质料的热缩短系数，还实现为了质料ORR催化活性以及CO2耐受性的大幅提升。750 °C时，NBSCC0.2的极化电阻以及最大输入功率密度分说为0.04 Ω cm2以及1.03 W cm-2。本使命为新一代能量转换器件质料的开拓提供了一条实用的道路。相关下场以题为 “Tailored Double Perovskite with Boosted Oxygen Reduction Kinetics and CO2Durability for Solid Oxide Fuel Cells” 宣告在能源规模驰名期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering(2023, DOI: 10.1021/acssuschemeng.3c03819)上。2020级硕士钻研生陈思庚同砚为该论文第一作者。
【内容表述】
本文报道了Cu异化的NdBa0.5Sr0.5Co2-xCuxO5+δ(NBSCC)质料作为固体氧化物燃料电池的阴极质料。Cu离子的异化后退了电极质料的导电性，并可能实用地操作Co离子的价态以及抑制碱土元素的偏析。如图1，首先对于样品妨碍了XRD，XPS，XANES以及透射电镜的妄想表征。多种表征证明了Cu离子乐成异化进入NBSC晶格中。而后对于其形貌妄想及其元素扩散做了钻研。Cu的异化使质料坚持四方妄想(P4/妹妹m空间群)，XPS以及XANES测试表明Cu的异化飞腾了Co价态，为了坚持电中性，资料中的氧空地浓度会削减
图1（a）NBSCC的XRD图；（b）NBSCC0.2的XRD精修图；（c）NBSCC0.2的HR-TEM图；（d）NBSCC0.2（110）晶面上的傅里叶变更以及逆傅里叶变更图；（e）Co-K边XANES谱；（f）Co2p以及（g）Cu2p的XPS图。
图2NBSCC系列质料的（a）TGA，（b）TEC，（c）电导率以及（d）O1S的XPS曲线。
如图2所示，质料热重损失率的飞腾以及热缩短系数的飞腾，进一步证明了Cu的异化实用地抑制了Co3+自旋态的变更以及氧空地的削减。NBSCC0.2展现出较高的氧空地浓度，有望取患上较好的ORR活性。进一步合成质料的电化学功能，由于晶格氧的消散而发生的氧空地会破损Co3+-O2--Co4+电子传输道路，导致电导率有所飞腾。
图3（a）氧空地天生能的合计模子；（b）Cu异化以及Cu未掺的样品在差距位置的氧空地的天生能。
经由密度泛函实际(DFT)的合计，从实际上探究Cu的引入对于氧空地天生的影响。合计服从表明，Cu异化的NBSCC0.2中氧空地的天生能小于未异化NBSC资料中Co-O×-Co的EV (2.68 eV)。表明Cu的异化有利于氧空地的发生。
图4（a）650-750°C下的EIS图；（b）Arrhenius拟合图；（c）700 °C下的DRT曲线。
图5（a）NBSCC0.2在700 °C差距氧分压下的EIS图；（b）阴极上的ORR历程展现图；（c）DRT图；（d）NBSCC0.2的Rp与PO2的关连图。
综合以上合成，预料NBSCC0.2具备优异的电化学功能，随后经由电化学测试患上到证实。如图4所示，Cu的引入使患上质料展现出较小的极化电阻以及实用的改善了电荷转移以及氧解离的历程。在图5中运用氧分压的测试合成Cu异化的机理。经由n值的合计可能进一步证实决速步骤为电荷转移。
图6（a）在650 ℃下CO2处置10 h后，NBSCC系列质料的FT-IR图；（b）在700 °C差距CO2浓度下ASR随光阴的变更；（c）NBSCC以及(d)NBSCC0.2对于称电池在空气中、CO2处置120 min以及复原空气60 min时的EIS图。
接着，对于NBSCC系列样品的CO2耐受性妨碍了探究。如图6所示，红外光谱以及电化学阻抗的测试证实Cu的引入，可能实用抑制碳酸盐的天生。而且，当测试情景由CO2转为空气时，Cu异化的NbSCC0.2的功能展现出了精采的可逆性。
图7（a）NBSCC0.2全电池的输入功能；（b）MPD的比力；（c）NbSCC0.2粉末以及（d）Ni-YSZ|YSZ|GDC|NBSCC0.2全电池截面的SEM图像。
图8Cu异化NBSC提升其ORR催化活性以及CO2耐受性的机理图。
最后，以NBSCC系列质料为阴极，组装玉成电池妨碍了输入功能的测试（图7）。750 ℃时，NBSCC0.2的最大功率密度(MPD)为1035 mW cm-2,比未妨碍Cu异化的NBSC高40%。
【论断介绍】
综上所述，本钻研经由将Cu离子引入NBSC0.2晶格的Co位，实用地调节了NBSC0.2晶格的平均Co价态、氧空地浓度以及ABE，飞腾了质料的热缩短系数，同时，增强了ORR中电荷转移、氧解离历程以及抗CO2能耐。最终实用飞腾的电池的极化阻抗，并大幅提升其输入功能。这项使命为未来SOFC质料的研发提供了思绪。
【作者简介】
姚传刚，男，硕士生导师，副教授，理学博士，国家科技专家库专家，教育部学位中间评审专家，辽宁省“百万万强人工程”万条理强人，锦州市优异科技使命者，2016 年博士结业于中国迷信院长春运用化学钻研所，同年就职于渤海大学。先后主持国家做作迷信基金青年基金名目1项，辽宁省做作迷信基金名目3项，辽宁省教育厅科研名目1项，中科院稀土资源运用国家重点试验室凋谢课题名目2项，获锦州市做作迷信学术下场一、二、三等奖各1项，负责《煤油化工低等学校学报》青年编委，在ACS Sustainable Chem. Eng 等国内期刊宣告 SCI论文30余篇，出书学术著述2部。
陈思庚，渤海大学2020级硕士钻研生，主要自动于高效固体氧化物燃料电池阴极电极的调控、妄想及电化学功能钻研。自退学以来荣获渤海大学优异钻研生干部，优异共青团员等声誉称谓，ACS Sustainable Chem. Eng以及Energy fuels期刊宣告SCI论文共2篇，渤海大学学报1篇，在投论文2篇。
蔡克迪，教授、博士生导师，辽宁特聘教授，辽宁省“兴辽英才妄想”青年拔尖强人，辽宁省“百万万强人工程”百人条理。获2018年中国产学研相助立异奖，2019年辽宁青年科技奖，2022年提名中国青年奖候选人，获辽宁省科技后退奖2项。现任渤海大学化学与质料工程学院副院长，先进化学电源钻研所短处。中国超级电容器财富同盟青年理事，中国质料钻研学会青年使命委员会理事，中国化学会低级会员，国家做作迷信基金函评专家，教育部学位中间评审专家，多省市科技奖评审专家。主要处置能源化学与能源质料规模的根基运用钻研，先后主持了国家做作迷信基金等二十余项国家及省部级课题，先后在 ACS APPL MATER INTER 等国内驰名学术期刊上宣告论文100余篇，多篇文章落选ESI高被引论文。报告国家专利67件，其中授权56件（第一缔造人27件），科技下场转化多项，退出拟订总体尺度2项，主编《化学电源技术》等学术著述3部。
文章信息：Tailored Double Perovskite with Boosted Oxygen Reduction Kinetics and CO2Durability for Solid Oxide Fuel Cells，ACS Sustainable Chem. Eng. 2023, 13198–13208.
DOI: 1 10.1021/acssuschemeng.3c03819
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.3c03819?fig=fig1&ref=pdf
供稿人：陈思庚