中国科学院上海应用物理研究所团队近期Applied Catalysis B: Environment and Energy观点：实现用于高性能可逆固体氧化物电池的B位高熵空气电极
【文章信息】
实现用于高性能可逆固体氧化物电池的B位高熵空气电极
第一作者：夏梓汀
通讯作者：张林娟*，王建强*，胡志伟*
单位：中国科学院上海应用物理研究所，中国科学院大学，马克斯·普朗克固体化学物理研究所，新加坡科学、技术和研究机构（A*STAR）
【研究背景】
随着全球能源需求和环境保护压力的增加，可逆固体氧化物电池（R-SOCs）因其低排放、高效率和强燃料适应性而受到关注。然而，电极剥离和极化引起的性能退化限制了其应用，因此需要开发具有高导电性、优异催化活性和结构稳定性的空气电极材料。
基于钙钛矿结构的钴基双钙钛矿氧化物因其快速离子扩散和增强的催化活性而备受关注，但其高温下的晶格膨胀和钴的成本问题限制了其应用。高熵钙钛矿氧化物（HEPOs）通过在B位引入多种元素，减少钴含量，改善空气电极与电解质的热膨胀系数匹配，并提高材料的整体性能。
【文章简介】
近日，来自中科院上海应用物理研究所的张林娟、王建强研究员与德国马普所的胡志伟教授等合作，在国际知名期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上发表了题为“Realizing B-site high-entropy air electrode for superior reversible solid oxide cells”的研究论文。该研究重点介绍了通过在B位引入高熵设计，制备了一种具有高催化活性和长寿命的单相空气电极材料PrBa0.8Ca0.2Fe0.4Co0.4Ni0.4Cu0.4Zn0.4O6-δ（HE-PBC-FCNCZ）。该电极在700 ℃的燃料电池模式下展示了1.42 W cm-2的峰值功率密度，并且在长时间的稳定性测试中表现出极小的性能衰减。
研究结果表明，高熵设计显著提高了空气电极的电化学性能和结构稳定性，减少了钴的使用量，增强了与电解质的热膨胀系数匹配，并通过多元素协同效应提高了材料的整体性能。X射线吸收近边结构（XANES）分析进一步确认了该材料在长期运行中的氧含量变化最小，证实了其优越的稳定性。该研究为开发高性能、高耐久性的固体氧化物电池空气电极提供了新的思路和方法。
【本文要点】
要点一：高熵设计的引入
本研究通过在B位引入多种元素（Fe、Co、Ni、Cu、Zn），成功制备了高熵空气电极材料HE-PBC-FCNCZ。高熵设计显著减少了钴的使用量，从而降低了材料成本，同时增强了空气电极与电解质的热膨胀系数匹配。这种多元素协同效应使材料在高温下仍能保持优异的电化学性能和结构稳定性。
要点二：卓越的电化学性能
HE-PBC-FCNCZ在700℃燃料电池模式下表现出1.42 W cm-2的峰值功率密度，远超传统钙钛矿阴极材料的性能。这种高性能得益于高熵设计带来的多元素协同效应，使材料在高温环境下仍能保持出色的催化活性和离子导电性。实验结果表明，该材料在不同温度下的电导率均显著高于传统材料，体现出其优越的电化学性能。
要点三：出色的长期稳定性
在长达500小时的稳定性测试中，HE-PBC-FCNCZ电极表现出极小的性能衰减。X射线吸收近边结构（XANES）分析显示，HE-PBC-FCNCZ在稳定性测试后氧含量变化最小，表明其优越的结构稳定性。此外，该材料在燃料电池模式和电解模式下均表现出优异的稳定性，分别在490小时和120小时的测试中保持良好的性能。
要点四：高熵材料的结构优势
高熵设计使得HE-PBC-FCNCZ具有更高的氧空位浓度和更稳定的电化学环境。这些氧空位有助于提高材料的离子导电性和催化活性，同时增强了其在复杂工作条件下的结构完整性。多元素协同效应不仅改善了电极材料的热力学性能，还增强了其在高温和湿度变化条件下的稳定性。微观结构分析表明，HE-PBC-FCNCZ材料的颗粒分布均匀，且没有明显的元素聚集现象。
要点五：广泛的应用前景
HE-PBC-FCNCZ材料的优异性能和长寿命，使其在可逆固体氧化物电池（R-SOCs）中具有广泛的应用前景。该研究为未来开发高性能、高稳定性的电池材料提供了新的思路和方法。高熵设计不仅适用于固体氧化物电池，还可以推广到其他电化学能量存储和转换设备中，如燃料电池和电解槽。研究结果表明，高熵设计是一种有效的材料优化策略，能够显著提升电极材料的综合性能。
【文章链接】
Realizing B-site high-entropy air electrode for superior reversible solid oxide cells
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124314
【通讯作者简介】
张林娟，中国科学院上海应用物理研究所，研究员，博士生导师，能源材料与化学研究部主任。国家级青年人才，中国科学院青年创新促进会“优秀会员”，嘉定区高层次创新创业和急需紧缺人才，嘉定区高层次精英人才。主要研究兴趣包括电催化、原位电化学X射线吸收谱技术及其应用。在J.Am.Chem.Soc.（封面）、Nat.Commun.（编辑推荐）、Adv.Mater.、Adv. Funct. Mater.等发表SCI论文100余篇。担任中国科学院青年创新促进会第五/六届理事，中国核学会锕系物理与化学分会首届理事，Nucl. Sci. Tech.期刊编委、Fundamental research期刊青年编委、The Innovation 期刊青年编委。
王建强，中国科学院上海应用物理研究所，研究员，博士生导师。中科院上海应物所所务委员，核能综合利用中心主任，制氢材料与氢能产品检验检测中心（CMA 认证）主任。在Energy Environ. Sci., Angew Chem., J. Am. Chem. Soc., 等刊物发表学术论文200余篇。获得上海市先进工作者，中国科学院优秀共产党员，中国科学院王宽诚率先人才计划，上海市科技系统先进个人，上海市科技系统青年五四奖章集体等称号。目前担任中国金属学会熔盐化学与技术分会副主任委员，中国化工学会工程热化学专业委员会副主任委员，中国核学会锕系物理与化学分会副理事长，中国能源研究会燃料电池专业委员会委员，中国能源研究会绿色低碳专业委员会委员，中国石油学会新能源专业委员会委员。
胡志伟，德国马普固体化学物理研究所X射线光谱学组长。主要采用同步辐射的波谱学方法，从理论与实验两方面研究凝聚态强关联体系中的电荷自旋、轨道态，开展有关磁性、超导性、多铁性, 新能源，环境，催化材料等方面的研究。已在物理、材料等领域顶级期刊发表论文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论文等，为该领域的知名学者。
【课题组介绍】
课题组网站https://www.x-mol.com/groups/hydrogen_energy
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