ACS Energy Letters：Cs掺杂的双钙钛矿空气电极助力质子陶瓷电化学电池快速稳定的氧还原/析出反应

第一作者：许阳森，徐康

通讯作者：刘瑛，陈宇

单位：紫金矿业可再生能源与先进材料研究院，华南理工大学

可逆质子陶瓷电化学电池(R-PCEC)在中低温下可直接实现能量的转换（在燃料电池模式下将化学能转化为电能）和存储（在电解模式下将电能转化为化学能），是一种环保、高效的能源转换装置。空气电极作为R-PCEC的关键组成部分，其催化活性和稳定性是影响R-PCEC电化学性能的重要原因之一。然而，随着R-PCEC工作温度的降低，其电化学性能和稳定性主要受到空气电极侧的氧还原反应（ORR）和析氧反应(OER)的缓慢动力学和较差耐久性限制。设计和开发在中低温下仍具有高效率和耐久性的新型空气电极材料对于推进R-PCEC的发展具有重要意义。

近日，来自 紫金矿业可再生能源与先进材料研究院的刘瑛博士与华南理工大学的陈宇教授合作 ，在国际知名期刊 ACS Energy Letters 上发表题为 “A Low-Lewis-Acid-Strength Cation Cs ⁺ -doped Double Perovskite for Fast and Durable Oxygen Reduction/evolutions on Protonic Ceramic Cells” 的观点文章。该观点文章评估了Cs掺杂的双钙钛矿作为空气电极在可逆质子陶瓷电化学电池的应用。

该研究在双钙钛矿氧化物上采用Cs作为A位掺杂剂的策略设计了一种具备高活性和稳定性的空气电极，其详细的分子式为：PrBa _0.9 Cs _0.1 Co ₂ O _{5 +δ} （PBCsC）。当PBCsC作为质子陶瓷电池的空气电极时，它在600 oC下稳定运行100 h，没有出现明显的衰减现象，同时表现出0.3 Ω cm2的低面比电阻（ASR）值。

在650 oC的运行温度下，具有PBCsC空气电极的可逆质子陶瓷电化学电池在燃料电池模式中的功率密度达到1.66 W cm ^-2 ，在电解池模式中（在1.3V下）的电流密度达到了-2.85 A cm ^-2 。同时，PBCsC单电池在可逆循环测试中（燃料电池和电解池循环测试模式下）表现出了良好的稳定性，在80 h内稳定运行20个循环。

通过XRD Rietveld精修证明PBCsC成功制备（图1a）；图1b是PBCsC粉末在600oC下含30%水汽的空气中处理10h前后的XRD对比图谱；图1c是PBCsC粉末在100oC-700oC下的高温原位XRD图谱；通过高分辨TEM图像和快速傅里叶变换（FFT）模式对PBCsC粉末进行微观分析（图1d）；通过XPS对Cs掺杂前后Pr和Co的价态变化进行了分析（图1e-1h）;图1f为PBCsC颗粒的元素分布分析。

图2a和2b为PBCsC空气电极的对称电池的电化学阻抗谱（EIS）及电化学性能对比；图2c为PBC和PBCsC电极的对称电池的电化学稳定性测试；图2d-2f为PBCsC空气电极上氧反应动力学的分析；图2g-2i为PBCsC空气电极在不同水分压下的动力学分析。

图3a和3b是Cs掺杂前后氧空位含量以及氧物种的分析；图3c-3d为PBCsC电极的氧扩散和氧交换能力分析（D*chem and k*chem）；图e为PBCsC和PBC粉末在600oC下含有30%水汽的空气中处理50小时后的傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析图。

图4a为PBCsC单电池在电化学测试后的截面图像；图4b和图4c为以PBCsC为空气电极的单电池在燃料电池模式下和电解池模式下的电化学性能测试；图4d和4e为PBCsC单电池的电化学性能（燃料电池模式下和电解池模式下）对比；图4f为以PBCsC为电极的R-PCEC在不同电流密度下的法拉第效率（FE）；图4g为以PBCsC为电极的单电池的电化学稳定性测试（燃料电池模式和电解池模式）；图h为R-PCEC的电化学可逆循环稳定性测试。

A Low-Lewis-Acid-Strength Cation Cs+‑Doped Double Perovskite for Fast and Durable Oxygen Reduction/Evolutions on Protonic Ceramic Cells

陈宇 ，华南理工大学环境与能源学院教授、博士生导师。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“珠江”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、广东省“创新创业”团队项目，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。至今，在能源领域知名期刊Nat Energy、Joule、Energy Environ Science、Adv Mater、Mat Today、Prog. Mater Sci.、Nat Commun、Adv Energy Mater、ACS Energy Lett.、Adv Funct Mater、Science Bulletin、SusMat、Science China Materials等上发表第一作者或通讯作者论文120余篇，申请10余项中国发明专利。现担任SusMat、 Carbon Energy、EcoMat、Rare Metals等期刊青年编委。

许阳森 ，华南理工大学环境与能源学院博士研究生，目前研究方向为可逆质子导体固体氧化物燃料电池的氧电极电化学性能研究。至今，在能源领域知名期刊如ACS Energy Lett.、J. Adv. Ceram.、J. Mater. Chem. A、Sustain. Mater. Techno.、Sci. China Mater.、J. Power Sources发表论文10余篇。

因科研工作和团队发展需要，陈宇教授课题组常年接收有志于固体氧化物燃料电池领域研究的博士后（详见华南理工大学博士后招聘网站，http://www2.scut.edu.cn/postdoctor/）或博士申请。

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