随着温室效应和能源危机的加剧，寻找可持续高效的新型能源迫在眉睫。固体氧化物燃料电池（SOFCs）因高能量转换效率，高可靠性等优势而备受关注。然而，传统的SOFCs工作温度高达800-1000℃，这给电池结构的稳定性及密封工艺的选择带来了巨大挑战。LaBaCo2O5+δ系列中温燃料电池阴极为解决这一问题提供了一种可行的方案，其特殊的层状结构促进了氧离子的快速运输，从而提高材料的氧催化活性。但研究表明，该类材料在长期使用中会导致表面A位的Ba发生偏析，同时存在与环境中的CO2等酸性气体发生反应，进而产生绝缘二次相。因此，如何在保证LaBaCo2O5+δ阴极材料良好电化学性能的同时，提升其在工作环境中的稳定性以及对CO2的耐受性，对于该类材料的优化改性至关重要。针对这一问题，我院材料科学与工程专业2021级本科生邵延伸和孙豪在导师金芳军副教授的指导下展开研究，相关成果以“Effective promotion of oxygen reduction reaction by bismuth doping in PrBaCo2-xBixO5+δ cathodes for solid oxide fuel cell”为题在Materials Science and Engineering: B（JCR Q2，IF=3.9）上发表，中国矿业大学材料与物理学院为第一完成单位，邵延伸为第一作者，我院教师金芳军副教授为通讯作者。
在该研究中，团队通过溶胶凝胶法，成功合成了经Bi离子修饰的PrBaCo1.95Bi0.05O5+δ（PBCB05）与PrBaCo1.90Bi0.10O5+δ（PBCB10），通过XRD测试、电导率测试、程序升温脱附测试（TPD）等手段，系统研究材料的相组成、化学兼容性、材料的导电机制和特性、氧催化活性等诸多性能，为阴极材料的电化学性能评估提供可靠支撑。
图1 PBCB05和PBCB10的XRD、TPD及电导率图谱
为了研究阴极材料在完整电池结构中的表现，团队以H2为燃料，针对PBCB05和PBCB10材料进行了对称电池的阻抗测试、全电池的阻抗测试和线性伏安扫描测试。研究表明，PBCB05材料具有良好的电化学性能和CO2耐受性，其电导率峰值在475 ℃时可达2268.2 S cm-1，极化面阻抗在700℃下仅为0.082 Ω cm2，显著低于同温度下未经掺杂的PrBaCo2O5+δ材料（0.309 Ω cm2）。同时，以PBCB05作为阴极的单电池材料在800℃下的峰值功率密度达到了1340 mW cm-2，并表现出了卓越的长期稳定性。
PBCB05作为氧离子导体燃料电池阴极的性能测试
综上，为了应对固体氧化物燃料电池领域对高性能阴极材料的需求，这项工作通过溶胶凝胶技术合成了具备良好电化学性能和高CO2耐受性的阴极材料，其中PBCB05表现尤为突出，在CO2氛围下展现了较低的阻抗，并在单电池结构中表现出了较高的功率密度和良好的长期稳定性。这一成果为固体氧化物燃料电池阴极的选择提供了新的可能，使其成为固体氧化物燃料电池阴极中极具潜力的候选材料，有望加速固体化物燃料电池的商业化应用进程。论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921510725004088
上述研究得到了大学生创新创业项目（202410290162Y）、国家重点研发计划项目（2024YFE0101500）的支持。
