可逆质子陶瓷电化学电池
(
R-PCECs
)
由于其在燃料电池和电解电池双模可逆工作时具有很高的灵活性，是最有前途的高效能量转换和存储器件之一。
R-PCEC
s
性能的关键局限性主要在于在现实操作条件下，析氧
/
还原反应
(OER/ORR)
空气电极的催化活性较低，耐久性较差。
近日，
南京工业大学邵宗平教授团队
和
华南理工大学陈宇教授
在
Advanced
Functional
Materials
上发表了题为“
Catalytic Self-assembled Air Electrode for Highly Active and Durable Reversible Protonic Ceramic Electrochemical Cells
”的论文。本论文
通过催化自组装
Ba
2
Co
1.5
Mo
0.25
Nb
0.25
O
6-δ
(BC1.5MN)
复合电极制备高活性
和
耐用空气电极的研究结果。在高温烧成条件下，
BC1.5MN
自然的由
单钙钛矿
BaCoO
3-δ
(SP-BCO)
和双钙钛矿
Ba
2-x
Co
1.5-x
Mo
0.5
Nb
0.5
O
6-δ
(DP-BCMN)
组成
。此外，使用
BC1.5MN
空气电极的燃料电极支持的全电池在
650°C
下表现出出色的性能，在
1.3 V
下达到
1.17 W cm
-2
的峰值功率密度和
2.04 A cm
-2
的电解电流密度。更重要的是，该电池在燃料电池模式下表现出超过
1100
小时的优良运行耐久性，在燃料电池和电解电池双模式下
220
小时超过
110
次的卓越循环稳定性。实验表明，
BCO
相增强了
ORR
和
OER
活性，而
BCO
与
BCMN
的强相互作用优化了催化持久性。
1)
. BC1.5MN
的晶体结构和形态。
(a) BC1.5MN
在空气中
1100 °C
烧结
10 h
后的
Rietveld
精修
曲线；
(b) BC1.5MN
复合材料在室温至
7
50°C
的温度范围内的
25-35°
间的
高温
XRD
图谱；
(c) BC1.5MN
复合空气电极的
SEM
和
(d) STEM
图像；
(e) STEM-EDX
结果；
(f) BCO
晶粒和
(g) BCMN
晶粒的
HR-TEM
图像。
(h)
对于在
(e)
中
A
点和
B
点的
EDX
扫描结果。
2)
.
电极的电化学性能及
弛豫时间分布
(
DRT)
分析。
(a)
采用
BC1.5M
x
N
0.5-x
(x=0.1, 0.2, 0.25, 0.3
，和
0.4)
、
BCM
和
BCN
电极的
BZCYYb
1711
对称
电池
在潮湿空气
(3% H2O)
中
450-700 °C
的
电阻
Arrhenius
图
；
(b) BC1.5MN
电极和其他钴基空气电极
面电阻
(
ASRs)
的
性能对比；
(c)
采用
BC1.5MN
电极的对称电池在
550 °C
湿空气中的
ASR
s
稳定性。
(d) BC1.5MN
的
EIS
和
(e) DRT
与氧分压的关系
；
(f) R
p
与
p
O2
函数的相关性
；
(g) BC1.5MN
的
EIS
和
(h) DRT
与
水分压
的关系
；
(i) R
p
与
p
H2O
函数的
相关性
。
3
). BC1.5MN
的热电性能。
(a) BCO
、
BCMN
、
BC1.5MN
氧化物室温
到
1000 ℃
的
热重
(
TG)
曲线
；
(b) BC1.5MN
、
BCN
和
BCM
样品在
200-800 °C
空气条件下的
热膨胀
(
TEC)
曲线
；
(c) H
2
O-TPD
信号和
(d) BC1.5MN
、
BCN
和
BCM
样品的电导率。
4)
.
离子转移能力及
X
射线
近边结构
吸收
光谱
(
XANES)
的分析。
(a)
根据
ECR
曲线计算的
BCN
和
BC1.5MN
氧化物在
500-650 ℃
范围内
D
chem
和
k
chem
的拟合值
；
(b)
在环境空气
/Ar
梯度下，
BCN
和
BC1.5MN
膜在
500-700℃
温度范围内的氧渗透通量和氧离子导电性
；
(c) BCM
、
BCN
和
BC1.5MN
样品的
Co
的
k
边
XANES
光谱
；
(d) BC1.5MN
和
BCN
中
Co
原子周围的径向结构函数
(
左
)
和
BCM
、
BCN
和
BC1.5MN
样品中
XANES
和
XPS
得到的
Co
价态
(
右
)
。
5)
.
BC1.5MN
空气电极质子陶瓷电池的性能。
(a)
单电池
的横断面扫描电镜图像
；
(b)
湿
H
2
(3% H
2
O)
中
500-700 °C
测量的
I-V
和
I-P
曲线
；
(c) BC1.5MN
电极峰值功率密度与其他代表性空气电极的比较
；
(d)
在
550-650 °C
的
电解
(
EC)
模式下测量的
I-V
曲线
；
(e)
连续可逆操作，在
650°C
，
±0.5 A cm
-2
电流密度下，在燃料电池和电解模式之间循环
；
(f) BC1.5MN
和
BCN
电极
性能
和
R
p
值的比较
；
(g)
在燃料电极中有干燥的
H
2
和空气电极中有静态
/
流动的空气时，在
0.4 A cm
-2
和
550 °C
的
FC
模式下的工作稳定性。
He, F., Liu, S., Wu, T., Yang, M., Li, W., Yang, G., Zhu, F., Zhang, H., Pei, K., Chen, Y., Zhou, W., Shao, Z., Catalytic Self-Assembled Air Electrode for Highly Active and Durable Reversible Protonic Ceramic Electrochemical Cells. Adv. Funct. Mater. 2022, 2206756.
原文链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202206756
邵宗平教授
，现为南京工业大学化工学院
/
材料化学工程国家重点实验室教授，博士生导师。已在
Nature
、
Nature Energy
、
Nature Communications
、
Science Advances
等国际期刊发表
SCI
论文
近
800
篇，
h-index=107
，获授权发明专利
5
0
余
项，出版
英文
专著
2
本。
在高温固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池、电解水制氢、储能电池、太阳能电池、低温催化、水处理、混合导体陶瓷膜等方向具有丰富的研究经验。自
2
017
年连续
入选汤森路透工程领域全球高被引科学家，
2015
年连续入选爱思唯尔中国高被引学者能源领域。
杨广明副教授
，现为南京工业大学化工学院副教授
/
硕士研究生导师，
2016
年毕业于南京工业大学化学工程专业，获博士学位。目前主要从事与燃料电池相关的电极材料开发和设计。近年来在
Adv. Mater.
、
Adv. Energy Mater.
、
Adv
. Funct. Mater.
、
A
ppl. Catal. B Environ.
等国际期刊发表
SCI
论文
70
余
篇，引用
2700
余次，
H-index
为
31
。申请发明专利
32
项，中国
授权
发明专利授权
18
项。
陈宇教授
，华南理工大学环境与能源学院教授、博士生导师。
2014
年取得美国南卡罗莱纳大学博士学位，
2019
年结束美国佐治亚理工学院博士后工作。入选华南理工大学
“
兴华精英学者
”
、海外高层次引进人才青年项目，广东省
“ZJRC”
青年拔尖人才计划。主持项目主要有国家自然科学基金青年、面上项目、广东省自然科学基金面上项目、
“
双一流
”
高校科研启动经费项目。主要从事固体氧化物燃料电池相关组件材料的设计合成以及其在清洁能源转换与存储方面的应用研究。团队主攻的研究方向包括基于氧离子导体或质子导体电解质的固体氧化物电池
/
电解池、理论
计算与原位表征、高温电化学合成、陶瓷膜反应器以及新能源材料与器件。近五年，申请相关专利
10
余项，作为第一
/
通讯作者在能源领域国际著名期刊
Nat Energy
、
Energy Environ Sci
、
Joule
、
Nat Commun
、
ACS Energy Lett
、
Adv Energy Mater
、
Adv Funct Mater
、
Nano Research
、
Sci China Mater
等发表
SCI
论文
30
余篇。课题组研究经费充足，团队仪器齐全。因科研工作和团队发展需要，课题组常年接收具有相关研究领域背景的博士
后或博士申请。
相关进展
南京工业大学邵宗平教授课题组《Adv. Funct. Mater.》：高效稳定的Fe基钙钛矿析氧催化剂
南工邵宗平教授/周嵬教授课题组《ACS AMI》：高效二氧化碳电化学还原催化剂的设计制备
南京工业大学邵宗平教授课题组：高导电钙钛矿的设计与应用
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