可逆质子陶瓷电池（Reversible Protonic Ceramic Cells，R-PCCs）兼具燃料电池与电解池的双重功能，在清洁能源转换与规模化储能领域具有重要应用潜力。然而，在中温运行条件下，空气电极缓慢的氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）动力学仍是制约R-PCCs性能进一步提升的关键因素。尤其是传统空气电极中质子传输能力不足，使电化学反应区域主要局限于三相界面（TPB），导致有效反应区域受限和极化阻抗升高。因此，开发兼具电子、氧离子和质子传导能力，并能够实现表面—体相协同反应的新型空气电极材料，是推动R-PCCs高性能发展的重要方向。
针对上述问题，以我院以材料科学与工程专业2023级本科生马翠璇、何文静为代表的研究团队在金芳军副教授的指导下，提出一种基于YBa2Cu3O₇₋δ（YBC）的新型层状钙钛矿空气电极材料——YBaSrCu2.3Co0.7O₇₋δ（YBSCC）。该材料通过Sr部分取代Ba，并以Co部分取代Cu，构建具有混合价态Cu–Co体系的M-1212型层状钙钛矿结构，从而促进氧空位形成、增强氧表面交换，并进一步改善材料的水合能力和质子传输性能。研究成果以“A YBC-derived layered perovskite enabling expanded reaction regions and enhanced proton-coupled oxygen electrocatalysis in reversible protonic ceramic cells”为题，发表于国际催化领域权威期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》（JCR一区，IF=19.7）。论文第一作者为马翠璇，通讯作者为金芳军副教授、凌意瀚教授和AGH大学的郑堃教授。
图1 论文首页信息
本工作首先通过EDTA-柠檬酸溶胶-凝胶法成功制备了YBaSrCu2.3Co0.7O₇₋δ（YBSCC）材料，并系统开展了结构、微观形貌及元素分布研究。结果表明，YBSCC具有稳定的四方层状钙钛矿结构，空间群为P4/mmm，晶格参数为a=b=3.89 Å、c=11.49 Å。与不同组分材料相比，Co含量为0.7 mol时能够形成良好的单相结构，而进一步提高Co含量则出现Y2O3杂相，表明Co取代量存在合理上限。同时，YBSCC与质子导体电解质BZCYYb在950 ℃高温处理后未产生新的杂相，表现出良好的化学相容性，为其作为R-PCCs空气电极提供了可靠的结构基础(图二)。
图二YBSCC的结构与微观形貌表征
研究团队结合密度泛函理论计算(DFT)与多种实验表征，系统揭示了YBSCC优异电化学性能的作用机制。结果表明，YBSCC具有有利的氧空位形成、氧吸附和水合能力，以及较低的质子迁移能垒(图三)；湿空气环境下，其表面氧交换系数显著提升。进一步结合电化学阻抗谱及分布弛豫时间分析(DRT)发现，YBSCC能够推动电极反应由传统的界面受限过程向表面—体相耦合过程转变，从而有效扩大电化学活性反应区域(图五)。
图三、YBSCC氧与质子传输性能的DFT分析
图四、YBSCC的热学、表面化学与水合特性表征
图五、YBSCC空气电极的电化学性能与反应动力学
得益于上述结构与机制优势，YBSCC空气电极在700 ℃下的极化电阻低至0.037 Ω cm²。基于该空气电极构建的阳极支撑型单电池在燃料电池模式下实现1.60 W cm-2的峰值功率密度，在700 ℃、1.3 V电解条件下电流密度达到−1.78 A cm-2，并在600 ℃下经历140 h、35次燃料电池/电解池循环后仍表现出良好的稳定性。
图六、YBSCC空气电极的单电池性能与可逆运行
该研究为开发具有扩展反应区域和高效质子耦合氧电催化能力的新型空气电极材料提供了重要参考。
该研究工作得到了国家重点研发计划项目（2024YFE0101500）和国家级大学生创新训练计划项目(202510290033 )项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.127425
新闻来源：材料与物理学院
责任编辑：高铭泽 马柯昕
一审一校：金芳军 王小寒
二审二校：李智
三审三校：范韶维
