文章題目：A comprehensive review of recent progresses in cathode materials for Proton-conducting SOFCs

關(guān)鍵詞：Solid oxide fuel cells; Perovskite oxides; Triple-conductivity; Catalytic activity; Permanent stability

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000251

????近日，南華大學(xué)陶澤天教授團隊在Energy Reviews發(fā)表文章“A comprehensive review of recent progresses in cathode materials for Proton-conducting SOFCs”, 該文章全面討論了質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池中陰極材料的最新研究進展，詳細(xì)介紹了不同類型的陰極材料及其性能，并探討了它們在質(zhì)子導(dǎo)電SOFCs中的應(yīng)用前景，對于該領(lǐng)域的深入研究和改進質(zhì)子導(dǎo)電SOFCs的陰極材料具有指導(dǎo)意義。

01?內(nèi)容簡介

????1.?Introduction （前言）

????? 1.1. The working theory elucidated by first principles (第一原理闡明的工作機理)

????2.?High catalytic activity（高催化活性）

????? 2.1. Inherent activity (內(nèi)在活性)

????? ? 2.1.1. Content of oxygen vacancies (氧空位含量)

????? ? 2.1.2. Alkalinity of elements(K, Zn, Ca) (元素堿性K、Zn、Ca)

????? ? 2.1.3. Ionic radius （離子半徑）

????? ? 2.1.4. Composite cathode（復(fù)合陰極）?

????? 2.2. Apparent activity （表觀活性）

????? ? 2.2.1. Nano-structure （2.2.1. 納米結(jié)構(gòu)）

????? ? 2.2.2. 3D-structure（三維結(jié)構(gòu)）

????3.?High permanent stability（高長期穩(wěn)定性）

????? 3.1. Chemical stability （化學(xué)穩(wěn)定性）

????? ? 3.1.1. Chromium poisoning （鉻中毒）

????? ? 3.1.2. CO2 tolerance （對CO2的耐受性）

????? 3.2. Thermodynamic stability （熱力學(xué)穩(wěn)定性）

????? ? 3.2.1. Doping （?摻雜）

????? ? 3.2.2. Composite cathode（?復(fù)合陰極）

????4.?Summary and prospects（結(jié)論和展望）

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02?內(nèi)容亮點

????1、文章對質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池（Proton-conducting SOFCs）進行了探討， 展望了其相對于傳統(tǒng)氧離子導(dǎo)電SOFCs的優(yōu)勢和應(yīng)用前景;

????2、討論了不同類別的陰極材料的研究進展，包括鈣鈦礦、草履蟲石、雙鈣鈦礦和Ruddlesden-Popper相等，對每種材料的結(jié)構(gòu)、性能和適用性進行了討論;

????3、介紹了通過摻雜和表面修飾來改善陰極材料性能和穩(wěn)定性的方法，具體討論了摻雜元素和表面修飾對陰極材料的影響；

????4、指出了當(dāng)前研究中存在的挑戰(zhàn)，如提高陰極材料的穩(wěn)定性、降低極化損失等，并提出了未來研究的方向和潛在的解決方案。

03?內(nèi)容導(dǎo)讀

????由于化石燃料儲量枯竭和減少碳排放的需求，可再生能源的需求不斷增長。氫作為最適合的燃料之一，近年來得到了快速發(fā)展，并在多個領(lǐng)域得到了應(yīng)用。燃料電池（FC）作為一種能源系統(tǒng)，具有低污染排放和高能量密度等優(yōu)點，因此備受關(guān)注。燃料電池根據(jù)所使用的電解質(zhì)材料可以分為不同類型，其中，SOFC具有靈活的燃料選擇、低噪音、低CO2排放、長壽命和高轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)勢。因此，SOFC被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)、住宅電源、運輸和其他地域應(yīng)急電源等多個領(lǐng)域。

????其中，質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池（H-SOFCs）使用質(zhì)子而不是氧離子作為電解質(zhì)，能夠在較低溫度下實現(xiàn)高效能工作，并且具有更好的抗碳積和穩(wěn)定性。但要令其性能更好，對其陰極材料的結(jié)構(gòu)進行改進是一個很好的選擇。納米結(jié)構(gòu)的陰極具有高表面體積比和增強的反應(yīng)性，但其機械強度和穩(wěn)定性通常需要較高溫度，不太實用。而滲透是一種高效的方法，通過創(chuàng)建多孔骨架陶瓷支架，并用含有所需組分的液相填充來形成所需的微觀結(jié)構(gòu)。滲透具有尺寸小、催化活性高等特點。浸漬溶液的選擇決定了三種主要的浸漬方法：離子傳導(dǎo)滲透、摻入額外的多元離子電導(dǎo)體顆粒、使用貴金屬如Ag、Pt和Pd。

????在H–SOFC的組裝中，多個單電池使用金屬互連材料相互連接，形成一個堆疊結(jié)構(gòu)，滿足大規(guī)模應(yīng)用的電壓和功率密度要求。陶瓷和金屬材料被認(rèn)為是互連材料的兩個主要類別：具有高溫抗氧化性的金屬互連材料通常包含鋁、硅或鉻等摻雜元素，與環(huán)境反應(yīng)形成保護性的氧化鋁、二氧化硅或鉻化物膜。雖然合金表面形成的氧化鋁或氧化硅膜可以提供出色的氧化抗性，但它們的電導(dǎo)率比鉻化物膜要低得多，導(dǎo)致電池中的歐姆損失顯著增加，因此，含鉻的互連材料被廣泛使用。然而，在工作條件下，互連材料中的鉻揮發(fā)會導(dǎo)致極化增加和材料分解，嚴(yán)重影響SOFC的穩(wěn)定性。關(guān)于這些相在電池內(nèi)沉積的確切機制，在文獻中存在一些爭議，文獻中討論的兩個流行理論提出了鉻物種沉積的機制：第一個理論認(rèn)為，鉻氣體物種在三相界面電化學(xué)沉積；第二個理論假設(shè)，在陰極中存在的特定物種（如錳或鍶）與含鉻氣體物種發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。承認(rèn)不同陰極材料的沉積行為和鉻中毒機制可能有所不同，因此，創(chuàng)造能夠耐受鉻中毒并減輕其不利影響的新型陰極材料至關(guān)重要。

04?重要結(jié)論

????總之，質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池陰極的開發(fā)需要實現(xiàn)卓越的催化活性、持續(xù)的穩(wěn)定性以及平衡質(zhì)子、氧離子和電子的電導(dǎo)率，目前已取得了一些成就，但也面臨著一些挑戰(zhàn)。

????首先，需要提高陰極的ORR活性水平，以提高電池的電化學(xué)性能，這可以通過調(diào)整和設(shè)計材料成分和電極結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，如提高氧空位含量、摻雜金屬堿度、優(yōu)化A位離子半徑等方法。此外，定制陰極表面微觀形態(tài)也對增強質(zhì)子傳導(dǎo)至關(guān)重要。除了性能，電極壽命也是H-SOFC的關(guān)鍵因素，由負(fù)相發(fā)展和結(jié)構(gòu)故障引起的性能下降可能會隨時間推移而發(fā)生，為了實現(xiàn)化學(xué)穩(wěn)定性，材料需要具有耐受環(huán)境觸發(fā)因素（如鉻和一氧化碳）的能力，并且需要考慮解決由熱膨脹失配引起的熱應(yīng)力問題。解決這些穩(wěn)定性挑戰(zhàn)需要綜合考慮材料選擇、設(shè)計優(yōu)化和工程方法。

????此外，盡管在陰極極材料研究方面取得了巨大進展，但仍需要解決幾個關(guān)鍵問題，這些問題也是未來陰極研究的主要方向，其中包括平衡三重傳導(dǎo)行為、優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和設(shè)計、深入研究質(zhì)子傳導(dǎo)機制等。通過解決這些問題，利用正在進行的研究和技術(shù)進步，可以推動H-SOFC的進一步發(fā)展和商業(yè)化，這將充分發(fā)揮H-SOFC作為高效和商業(yè)上可行的能量轉(zhuǎn)換器件的潛力。

作者簡介：

????陶澤天，南華大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院教授。主要研究方向為固體氧化物燃料電池及電解池，低溫電催化材料。近年來在電池材料制備、電解水制氫、陽極抗積碳以及新型質(zhì)子導(dǎo)體材料等方面開展了綜合性的研究工作，取得了一系列原創(chuàng)性研究成果。主持和參與國家、省部級和地方科研項目多項；擔(dān)任SCI期刊J.Power Sources、ElectrochimicaActa、International Journal of Hydrogen Energy等SCI期刊特邀審稿人，中國化學(xué)會會員。相關(guān)研究工作以第一作者或通訊作者在Progress in Materials Science、J. Am. Chem. Soc.、Applied Energy、J. Power Sources等國際頂級期刊發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文30余篇，其中JCR一區(qū)論文22篇。

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Energy Reviews?

簡介?

????《Energy Reviews》是由深圳大學(xué)主辦，聯(lián)合 Elsevier出版集團創(chuàng)辦的一本國際性、跨學(xué)科、高質(zhì)量開放獲取?(Open Access)?學(xué)術(shù)期刊，由謝和平院士擔(dān)任創(chuàng)刊主編，美國工程院Derek Elsworth院士、中國科學(xué)院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大學(xué)倪萌教授擔(dān)任聯(lián)合主編。發(fā)表能源領(lǐng)域前沿方向、最新進展、發(fā)展趨勢、權(quán)威觀點等高質(zhì)量學(xué)術(shù)文章，構(gòu)建全球能源一流成果和一流學(xué)者的合作交流平臺，向公眾傳播有影響力的能源領(lǐng)域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理論、新方法和新技術(shù);?能源研究的多學(xué)科（材料、物理、化學(xué)、生物等）交叉融合探索技術(shù);?化石能源低碳利用與CCUS;?氫能、可再生能源與儲能先進技術(shù);?新型能源轉(zhuǎn)換方式探索與應(yīng)用;??能源領(lǐng)域現(xiàn)代信息技術(shù)（人工智能，大數(shù)據(jù)）等相關(guān)方向的優(yōu)質(zhì)稿件。

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