ACS Nano：钙钛矿在固体氧化物燃料电池舞台上的跨界明星表演赛

背景简介：

钙钛矿型材料在太阳能电池领域，因其能量转换效率从2011（6.5%）到2015（19%）一路飙升，俨然成为欧洲杯线上买球 领域的明星。自然（Nature）于2016年5月16日在线发表题为“Strongly correlated perovskite fuel cells”的文章，将近年来的研究热点——钙钛矿——又搬到了固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）的舞台上，来自美国哈佛大学的You Zhou和Shriram Ramanathan等人另辟新径，将SmNiO₃（SNO）作固体电解质，以镍酸盐传导质子，显著提高低温燃料电池电导率和稳定性【1】。

与此同时，ACS Nano近期在线发表了北京滚球体育 大学赵海雷教授课题组关于固体氧化物燃料电池的最新成果，钙钛矿一时间成了固体氧化物燃料电池舞台上亮丽的明星【2】。其实，将钙钛矿引入固体燃料电池已不是新鲜事儿，早在2003年自然材料（nature mater.）就发布了东欧科学家将钙钛矿用于燃料电池阳极材料的文章【3】。但是，本期介绍的ACS Nano的亮点在于：原位脱溶复合纳米催化剂。

图文导读：

研究人员首先制备了Sr₂FeMo_0.65Ni_0.35O_6−δ——纯钙钛矿结构，然后在氢气气氛还原下，纯相转变成两相，并包含脱溶出的FeNi₃双金属纳米颗粒，相关的XRD表征结果如图1所示：

图1850℃，10 h，H₂还原后的Sr₂FeMo_0.65Ni_0.35O_6−δ相的XRD衍射图。

文章中认为表面脱溶出的纳米粒子，阻碍了内部钙钛矿中元素的溶出，保证了其结构稳定。图2的XPS信息，验证了作者的猜测，只有少量零价Ni⁰和Fe⁰出现，大部分的Ni²⁺, Fe²⁺和Fe³⁺仍然存在于晶格当中。并且从XPS O1s分峰结果看，电解质表面吸附氧（Oad）浓度远大于晶格中的氧（Olattice），在高温下释放，有利于活性位点的形成。

图2还原后的Sr₂FeMo_0.65Ni_0.35O_6−δ相XPS谱图信息：(a) Ni 2p; (b) Fe 2p; (c) Mo 3d; and (d) O 1s。

图3是作者得到的扫描电镜（SEM）图片，图中明显看出反应后表面有粒子溶出，并分布均匀。

图3扫描电镜图及其脱溶示意图。a-b:反应前；c-d:反应后；e:反应前后示意图。

图4作者说明了高温下甚至800℃仍有高达55.4 S cm−1的原因：Fe2+/Fe3+ 和 Mo5+/Mo6+氧化还原电对的存在，以及表面修饰的FeNi3合金提高电导率。高温降低可能源于纳米粒子的高温不稳定性。

图4电导率随温度变化图。插图：低温下线性关系的Arrhenius图。

图5a显示850℃开路电压为1.1V，接近理论值，功率密度也达960 mW cm⁻²。同时，图5b看出，750℃电压输出的稳定性也相当出色。

图5a:单电池氢气气氛（40 mL min⁻¹)测试，不同温度，电压以及功率密度和电流密度的曲线图。b:在750 °C下恒定电流密度（0.55 A cm⁻²）电压时间图。

展望：

文章亮点在于原位脱溶的Fe-Ni合金有效提高了电池反应的电化学性能，表面修饰的陶瓷阳极材料内部得以保护，这又增加了其稳定性。原位脱溶机制为后续制备高性能阳极材料提供了新颖的思路，将钙钛矿在固体氧化物燃料电池领域的研究又向前推进了一步！

文献链接：High-Performance Anode Material Sr2FeMo0.65Ni0.35O6−δ with In Situ Exsolved Nanoparticle Catalyst（ACS Nano, 2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b03979）

参考文献：

1. Zhou Y, Guan X, Zhou H, Ramadoss K, Adam S, Liu H, et al. Strongly correlated perovskite fuel cells. Nature 2016, 534(7606): 231-234.

2. Du Z, Zhao H, Yi S, Xia Q, Gong Y, Zhang Y, et al. High-Performance Anode Material Sr2FeMo0.65Ni0.35O6−δ with In Situ Exsolved Nanoparticle Catalyst. ACS Nano 2016, DOI: 10.1021/acsnano.6b03979.

3. Boukamp BA. Fuel cells: The amazing perovskite anode. Nature materials 2003, 2(5): 294-296.

本文由材料人编辑部欧洲杯线上买球 学术组 pamperhey 供稿，点这里加入我们。欢迎关注微信公众号，微信搜索“欧洲杯线上买球 前线”或扫码关注。