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4399JS金沙:4399JS金沙团队在质子陶瓷燃料电池研究领域取得重要进展



近日,4399JS金沙孙克宁教授团队在质子陶瓷燃料电池氧电极材料设计方面取得新进展,相关研究成果以“Fluorination Inductive Effect Enables Rapid Bulk Proton Diffusion in BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ Perovskite Oxide for High-Activity Protonic Ceramic Fuel Cell Cathode”为题发表在国际期刊Applied Catalysis B: Environmental上(IF="24.319),4399JS金沙为唯一通讯单位,化学与化工学院孙克宁教授和王振华教授为文章共同通讯作者,博士后任戎征为该论文的第一作者。

质子陶瓷燃料电池(Protonic Ceramic Fuel Cell,PCFC)是一种以质子导体为电解质的固体氧化物燃料电池,具有环境效应好、能量转化效率高、燃料适应性强以及温度依赖性低等优点,在大型集中供电、分布式发电、家用热电联供系统、以及船舶车辆动力电源等领域有着广阔的应用前景。氧电极是影响PCFC发电效率的关键部件之一,其核心功能是催化氧气分子、电子以及质子这三者之间的电化学反应。在氧电极的体相引入质子导电功能可以增加氧电极的活性位点,是提高氧电极催化活性的核心手段。由于质子在氧电极中属于外源性物种,设计具有本征质子导电性质的氧电极材料仍具有非常大的挑战,近年来引起了研究者们的重点关注。

为了实现质子在氧电极中的快速扩散,团队在前期研究中分别提出了氧空位推动(J. Mater. Chem. A, 2019,7, 18365-18372)以及氧离子碱性调控(ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 5, 4914-4922)等手段,有效提高了钙钛矿氧电极中质子缺陷的浓度和稳定性。在这些研究基础上,该团队继续提出了氟化诱导机制,对钙钛矿氧化物进行氟化处理,利用氟原子的高电负性调控质子与氧离子之间的相互作用,促进了质子在氧离子之间的快速迁移。实验和理论计算研究共同表明,氟原子的引入会产生强烈的诱导效应,一方面可增加钙钛矿氧电极中金属氧键的极化度,促进外源性质子进入电极体相中,同时氟原子会减小氧原子周围的电荷密度,减弱氧原子对质子的束缚作用,促进质子在相邻氧原子上的跃迁。氟化钙钛矿的质子扩散系数可达1.21 × 10?5 cm2·s?1,是未氟化钙钛矿材料的三倍之多(4.30 × 10?6 cm2·s?1)。以氟化钙钛矿为氧电极的PCFC在650°C的工作温度下功率密度达到了921 mWcm?2。这一研究对设计具有高质子传输特性材料具有启发意义,可广泛用于质子导体基电化学能量转化装置中,例如,CO2和H2O的共转化、水分解和氨合成。

氟化钙钛矿氧化物作为氧电极的PCFC电化学性能

上述研究得到了国家自然科学基金(22078022、22178023、22179007)以及中国博士后科学基金(2021M690379)的资助。

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121759


附作者简介:

任戎征,2015年毕业于4399JS金沙能源化学工程专业,获学士学位,2015-2020年在4399JS金沙化学工程与技术专业硕博连读,2020年至今在4399JS金沙从事博士后研究。主要从事固体氧化物燃料电池/电解池方面的研究,迄今作为第一作者在Appl. Catal. B-Environ.,J. Mater. Chem. A,ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上发表SCI论文5篇,引用150余次,主持中国博士后科学基金面上项目1项,参与国家自然科学基金面上项目等多项。


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