研究背景：

固体氧化物燃料电池（SOFC）可以把氢气、甲烷和一氧化碳等燃料中的化学能直接转化为电能。它具有效率高、污染低、燃料适应性强等优势。阳极是 SOFC 的关键部件，需要同时具备良好的氧离子 (O^2-)/电子 (e^-)传导、催化活性和高温稳定性。由于钙钛矿氧化物结构稳定，可以通过掺杂调节性能成为有潜力的阳极材料。然而，单相钙钛矿阳极的O^2-/e^-传输通道有限，氢氧化反应动力学较慢，导致较低的电池的峰值功率密度。为了解决这一难题，本文通过在 LaFe_0.7Ni_0.3O_3-δ 的 La³⁺ 位点掺入 Ba²⁺，通过掺杂浓度调控诱导形成三相复合阳极，同时提升O^2-传输、e^-传输和氢氧化反应动力学。

文章概述：

近日，新疆大学黄岭教授、苏丽娜副教授与南京工业大学沈岳松教授合作，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Synergized Tri-Phase Anode via Purposive Ba²⁺ Doping at the La³⁺ Site in LaFe_0.7Ni_0.3O_3-δ for Improved SOFC Performance”的观点文章。报道了一种 Ba²⁺ 掺杂策略，通过调控在 LaFe_0.7Ni_0.3O_3-δ 阳极中Ba²⁺的掺杂浓度诱导形成三相协同结构，从而提升 SOFC 功率密度和稳定性。

图文导读：

传统单相钙钛矿阳极虽然结构稳定，但它的氢氧化反应速率不够快，O^2-和e^-传输通道有限，这限制了SOFC 的峰值功率密度。本文提出了一个思路：在 LaFe_0.7Ni_0.3O_3-δ 的 La³⁺ 位点中引入 合适浓度的Ba²⁺。阳极材料在 H₂ 气氛中还原后，会从原来的双相钙钛矿结构转变成由 (La2Ba)Fe₂O₇、Ba₆La₂Fe₄O15 和 Ni₃Fe 纳米颗粒组成的三相复合结构。本文关键点不是单纯加入 Ba²⁺，而是 Ba²⁺掺杂后引发了新的相结构。每一相都有明确的作用。(La₂Ba)Fe₂O₇ 可以提供更多氧空位并改善O^2-传输，Ba₆La₂Fe₄O₁₅ 可以提供额外的 FeO₄ 活性位点并帮助e-传输，而Ni₃Fe 纳米颗粒可以促进氢气吸附和活化，加速了阳极表面的氢氧化反应速率。此外，Ba²⁺ 掺杂后材料的活化能力提高，对称电池的反应活化能从 1.03 eV (LBFN-0) 降到 0.78 eV (LBFN-0.5)。以 LBFN-0.5 为阳极时，单电池在 800 °C 下的峰值功率密度达到 1.25 W cm^-2。与未掺 Ba²⁺的 LBFN-0 (0.52 W cm^-2) 电池相比，功率密度提升了约 140%。同时，单电池的极化阻抗 (Rp) 从 0.28 Ω cm² (LBFN-0) 降到 0.12 Ω cm² (LBFN-0.5)，说明阳极反应电阻明显降低。此外，以LBFN-0.5为阳极的单电池在 750 °C、400 mA cm^-2 下可稳定运行 300 h，电压衰减速率约为 8.9 × 10^-5 V h^-1。这个结果说明，该三相结构阳极不仅提高了功率密度，也提升了运行稳定性。

图1.(a) Ba²⁺掺杂且在 H₂ (含 3 vol% H₂O)气氛中还原后，引发相变的示意图。(b) LBFN-0.5 阳极表面电化学过程示意图。(c) (La2Ba)Fe₂O₇、Ba₆La₂Fe₄O₁₅和 Ni₃Fe 纳米颗粒的晶体结构。(d) Ba²⁺ 掺杂前后800°C 下 峰值功率密度(PPD) 的对比

论文信息：

Synergized Tri-Phase Anode via Purposive Ba²⁺ Doping at the La³⁺ Site in LaFe_0.7Ni_0.3O_3-δ for Improved SOFC Performance

Qian Yang, Shuaihang Chen, Yongli Peng, Xuelong Li, Xiaojian Pan, Fang Wang, Nanya Long, Li Li, Yilin Wang, Lina Su*, Yuesong Shen*, Ling Huang*

Advanced Science

DOI:10.1002/advs.75578

原文链接：

https://doi.org/10.1002/advs.75578

期刊介绍：

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