中國科學院上海應用實體研究所團隊近期Applied Catalysis B: Environment and Energy觀點：實作用于高性能可逆固體氧化物電池的B位高熵空氣電極
【文章資訊】
實作用于高性能可逆固體氧化物電池的B位高熵空氣電極
第一作者：夏梓汀
通訊作者：張林娟*，王建強*，胡志偉*
機關：中國科學院上海應用實體研究所，中國科學院大學，馬克斯·普朗克固體化學實體研究所，新加坡科學、技術和研究機構（A*STAR）
【研究背景】
随着全球能源需求和環境保護壓力的增加，可逆固體氧化物電池（R-SOCs）因其低排放、高效率和強燃料适應性而受到關注。然而，電極剝離和極化引起的性能退化限制了其應用，是以需要開發具有高導電性、優異催化活性和結構穩定性的空氣電極材料。
基于鈣钛礦結構的钴基雙鈣钛礦氧化物因其快速離子擴散和增強的催化活性而備受關注，但其高溫下的晶格膨脹和钴的成本問題限制了其應用。高熵鈣钛礦氧化物（HEPOs）通過在B位引入多種元素，減少钴含量，改善空氣電極與電解質的熱膨脹系數比對，并提高材料的整體性能。
【文章簡介】
近日，來自中科院上海應用實體研究所的張林娟、王建強研究員與德國馬普所的胡志偉教授等合作，在國際知名期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上發表了題為“Realizing B-site high-entropy air electrode for superior reversible solid oxide cells”的研究論文。該研究重點介紹了通過在B位引入高熵設計，制備了一種具有高催化活性和長壽命的單相空氣電極材料PrBa0.8Ca0.2Fe0.4Co0.4Ni0.4Cu0.4Zn0.4O6-δ（HE-PBC-FCNCZ）。該電極在700 ℃的燃料電池模式下展示了1.42 W cm-2的峰值功率密度，并且在長時間的穩定性測試中表現出極小的性能衰減。
研究結果表明，高熵設計顯著提高了空氣電極的電化學性能和結構穩定性，減少了钴的使用量，增強了與電解質的熱膨脹系數比對，并通過多元素協同效應提高了材料的整體性能。X射線吸收近邊結構（XANES）分析進一步确認了該材料在長期運作中的氧含量變化最小，證明了其優越的穩定性。該研究為開發高性能、高耐久性的固體氧化物電池空氣電極提供了新的思路和方法。
【本文要點】
要點一：高熵設計的引入
本研究通過在B位引入多種元素（Fe、Co、Ni、Cu、Zn），成功制備了高熵空氣電極材料HE-PBC-FCNCZ。高熵設計顯著減少了钴的使用量，進而降低了材料成本，同時增強了空氣電極與電解質的熱膨脹系數比對。這種多元素協同效應使材料在高溫下仍能保持優異的電化學性能和結構穩定性。
要點二：卓越的電化學性能
HE-PBC-FCNCZ在700℃燃料電池模式下表現出1.42 W cm-2的峰值功率密度，遠超傳統鈣钛礦陰極材料的性能。這種高性能得益于高熵設計帶來的多元素協同效應，使材料在高溫環境下仍能保持出色的催化活性和離子導電性。實驗結果表明，該材料在不同溫度下的電導率均顯著高于傳統材料，展現出其優越的電化學性能。
要點三：出色的長期穩定性
在長達500小時的穩定性測試中，HE-PBC-FCNCZ電極表現出極小的性能衰減。X射線吸收近邊結構（XANES）分析顯示，HE-PBC-FCNCZ在穩定性測試後氧含量變化最小，表明其優越的結構穩定性。此外，該材料在燃料電池模式和電解模式下均表現出優異的穩定性，分别在490小時和120小時的測試中保持良好的性能。
要點四：高熵材料的結構優勢
高熵設計使得HE-PBC-FCNCZ具有更高的氧空位濃度和更穩定的電化學環境。這些氧空位有助于提高材料的離子導電性和催化活性，同時增強了其在複雜工作條件下的結構完整性。多元素協同效應不僅改善了電極材料的熱力學性能，還增強了其在高溫和濕度變化條件下的穩定性。微觀結構分析表明，HE-PBC-FCNCZ材料的顆粒分布均勻，且沒有明顯的元素聚集現象。
要點五：廣泛的應用前景
HE-PBC-FCNCZ材料的優異性能和長壽命，使其在可逆固體氧化物電池（R-SOCs）中具有廣泛的應用前景。該研究為未來開發高性能、高穩定性的電池材料提供了新的思路和方法。高熵設計不僅适用于固體氧化物電池，還可以推廣到其他電化學能量存儲和轉換裝置中，如燃料電池和電解槽。研究結果表明，高熵設計是一種有效的材料優化政策，能夠顯著提升電極材料的綜合性能。
【文章連結】
Realizing B-site high-entropy air electrode for superior reversible solid oxide cells
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124314
【通訊作者簡介】
張林娟，中國科學院上海應用實體研究所，研究員，博士生導師，能源材料與化學研究部主任。國家級青年人才，中國科學院青年創新促進會“優秀會員”，嘉定區高層次創新創業和急需緊缺人才，嘉定區高層次精英人才。主要研究興趣包括電催化、原位電化學X射線吸收譜技術及其應用。在J.Am.Chem.Soc.（封面）、Nat.Commun.（編輯推薦）、Adv.Mater.、Adv. Funct. Mater.等發表SCI論文100餘篇。擔任中國科學院青年創新促進會第五/六屆理事，中國核學會锕系實體與化學分會首屆理事，Nucl. Sci. Tech.期刊編委、Fundamental research期刊青年編委、The Innovation 期刊青年編委。
王建強，中國科學院上海應用實體研究所，研究員，博士生導師。中科院上海應物所所務委員，核能綜合利用中心主任，制氫材料與氫能産品檢驗檢測中心（CMA 認證）主任。在Energy Environ. Sci., Angew Chem., J. Am. Chem. Soc., 等刊物發表學術論文200餘篇。獲得上海市先進工作者，中國科學院優秀共産黨員，中國科學院王寬誠率先人才計劃，上海市科技系統先進個人，上海市科技系統青年五四獎章集體等稱号。目前擔任中國金屬學會熔鹽化學與技術分會副主任委員，中國化工學會工程熱化學專業委員會副主任委員，中國核學會锕系實體與化學分會副理事長，中國能源研究會燃料電池專業委員會委員，中國能源研究會綠色低碳專業委員會委員，中國石油學會新能源專業委員會委員。
胡志偉，德國馬普固體化學實體研究所X射線光譜學組長。主要采用同步輻射的波譜學方法，從理論與實驗兩方面研究凝聚态強關聯體系中的電荷自旋、軌道态，開展有關磁性、超導性、多鐵性, 新能源，環境，催化材料等方面的研究。已在實體、材料等領域頂級期刊發表論文355篇，包括20篇Physical Review Letters (PRL)，14篇Nature Communications，多篇Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS)，Advanced Materials, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Environ. Energy Science, joule論文等，為該領域的知名學者。
【課題組介紹】
課題組網站https://www.x-mol.com/groups/hydrogen_energy
團隊長期緻力于電解水研究，獲得100餘項檢驗檢測能力CMA認證，覆寫關鍵材料、單體電池、電堆以及小型系統的全面檢測，為企業、高校院所提供重要的技術支撐，具體細節詳見https://hydro.sinap.ac.cn/
在X射線先進譜學技術開發方面具有近20年積累，陸續推出了台式X射線吸收譜儀SuperXAFS系列産品，該系列憑借高品質的X射線，極佳的能量分辨率以及超精密的關聯掃描系統，為使用者提供了媲美同步輻射XAFS的實驗資料。