第一作者：章远

通讯作者：谢和平*，陈彬*，倪萌*

通讯单位：深圳大学，香港理工大学

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种新型的能源转换技术，由于其具有燃料选择范围广泛、能量转化率高、模块化设计以及对环境污染小等优点，已经受到越来越多的关注和重视。

然而，SOFC的商业化并没有完全成功，因为仍然存在一些挑战，例如在较高工作温度范围(700-1000◦C)下的高成本、低稳定性以及系统复杂性。而小幅度的降低操作温度会使阴极材料的氧还原反应（ORR）活性大大降低，成为制约SOFC发展的关键因此，在降低操作温度的同时，采用具有良好活性和稳定性的阴极材料是解决上述挑战的关键。理想的中低温工作的SOFC阴极应具有较高的混合离子/电子电导率(MIEC)、稳定的相结构、良好的化学/热力学相容性、更重要的是具有较高的氧还原反应(ORR)活性。

通过材料的掺杂和表面修饰可以达到优化阴极材料的目的，这类方法已经得到广泛应用，但因严格的条件使改性具有局限性。原位重构(换句话说就是“自组装”)的概念被认为是将新的有益相引入阴极的新一代方法，它可以提供良好的粘附性、均匀分布和丰富的异质界面。例如有文献报道了一种新型的简单钙钛矿纳米棒装饰的双钙钛矿氧化物，通过原位溶出工艺合成，由缺乏a位的双钙钛矿宿主。具有高电催化活性和优异的耐久性。甚至多相阴极(≥4相)也可以通过原位合成，以满足理想阴极的多种要求。

基于此，来自深圳大学的谢和平院士、陈彬副研究员与香港理工大学的倪萌教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“CO₂-induced reconstruction for ORR-enhanced solid oxide fuel cell cathode”的研究文章。该文章着眼于固体氧化物燃料电池(SOFC)领域，通过创新型CO₂诱导开发策略，原位构建出同时具有高活性和耐久性的新型钙钛矿阴极材料。

图1. 原位CO₂诱导重构机制的工作原理。

原位生长的碳酸盐纳米薄膜薄壳促进了氧表面结合过程和电荷转移过程，且不会阻塞孔道结构，使氧气更加高校地扩散，从而多维度增强了阴极的ORR活性、耐久性和热机械相容性。新型re-BF阴极显示出极低的比面积电阻(ASR) 值0.013 Ω cm²，只有原始BaFeO_3-δ阻抗值(0.041 Ω cm²)的三分之一（SDC电解质，650◦C）。并且可以稳定工作超过600小时。

本研究提出了一种开发中低温sofc高性能阴极的创新策略，通过十分简洁、显著的诱导手段，获得呈倍数提升ORR活性的能力，同时大大优化材料的稳定性，该策略可广泛用于催化剂研究，具有很好的研究和应用前景。

图1、阴极的相结构组成。a) re-BF的XRD图谱及XRD精修结果; b) Ba-Fe氧化物体系碳酸化Ellingham图; c) re-BF的STEM-EDX图像， d) re-BF的EDX线扫描曲线; e-h) re-BF的HRTEM图像和FFT图像。

图2、阴极材料的基本表征与性能。a) re-BF在25◦C至650◦C之间的原位高温XRD曲线; b)室温下BF、CO₂-BF、re-BF的FTIR表征; c) 200◦c到1100◦c之间的BF和re-BF的CO₂-TPD曲线， d) re-BF和BF从300◦C到800◦C的TEC测试， e) re-BF和BF的Fe 2p的XPS曲线和f) re-BF和BF时O 1s的XPS曲线。

图3、对称电池中阴极材料的氧还原反应性能。a)在650◦C下，1 vol%， 10 vol%和100 vol% CO₂处理0.5 h, 2 h和5 h后ASR的相关变化， 在650◦c下测试re-BF和BF阴极的b) EIS和c) DRT分析曲线， d) re-BF和BF阴极的Arrhenius图，e) BF、re-BF和其他热门阴极的ASR比较，f)浸渍BaCO₃的BF骨架在650◦C和800◦C烧结的EIS曲线。g)浸渍BaCO₃的BF阴极的DRT分析。

图4、阴极耐久性，单电池性能和电极示意图。a)在650◦C下，BF和re-BF阴极的600小时稳定性测试， b) BF和re-BF阴极稳定性试验前后EIS曲线对比; c) Ni/YSZ|YSZ|SDC阳极支撑单体中re-BF和BF阴极的I-V和I-P曲线，d) re-BF单电池在650◦C工作350小时的稳定性测试，e)在re-BF阴极中co2诱导重构过程和电极传输示意图。

1、采用全新的CO₂重构策略获得了新型re-BaFeO_3-δ阴极。

2、re-BaFeO_3-δ为原位形成的自组装的壳层结构。

3、re-BaFeO_3-δ在650℃时表现出低极化电阻，为原始BaFeO_3-δ的1/3。

综上所述，我们开发了CO₂诱导重构的方法来提升SOFC阴极的ORR活性和稳定性。该方法采用高温CO₂直接处理对原始钙钛矿进行重构，形成了一种具有核-壳结构的新型复合阴极——外层为BaCO₃壳，双体相(BaFe₂O₄相和BaFeO₃相)，协同有利于电荷转移、表面氧传输和稳定性。因此，该阴极产生了创纪录的高ORR活性(0.013 Ω cm²在650◦C)，并表现出超过600小时的良好耐久性。全电池在650◦C表现出735 mW cm⁻²峰值功率密度的卓越性能。这项工作为固体氧化物燃料电池的阴极优化提供了新的可能性。

Yuan Zhang, Junbiao Li1, Heping Xie*, Zhipeng Liu, Daqin Guan, Shuo Zhai, Yufei Song, Wei Zhou, Bin Chen*, Meng Ni*, Zongping Shao, CO₂-induced reconstruction for ORR-enhanced solid oxide fuel cell cathode. Chemical Engineering Journal, 2023, 462, 142216.

谢和平院士，力学与能源工程专家，中国工程院院士。现为深圳大学特聘教授、深圳大学深地科学与绿色能源研究院院长、广东省“深地科学与地热能开发利用”重点实验室主任、深圳市“深部工程科学与绿色能源”重点实验室主任。曾任原煤炭工业部科技教育司司长、中国矿业大学校长和中国矿业大学（北京校区）校长、四川大学校长、四川省科协主席。中共十七届中央候补委员，十二届全国人大代表。兼任国务院学位委员会委员、教育部科技委主任、国务院学位委员会学科评议组（矿业工程、石油与天然气工程组）召集人、四川省科协名誉主席等职务。

为《Geomechanics and Geoengineering: an international Journal》期刊荣誉主编,《Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources》、《Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources》、《Deep Underground Science and Engineering》、《Energy Reviews》、《工程科学与技术》期刊主编，并兼10余种国际与国内期刊编委。

谢和平院士是国家973项目首席科学家（2次），国家自然科学基金委“创新研究群体”首席科学家，国家重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”项目负责人，国家自然科学基金委重大科学仪器研制项目“深部岩体原位保真取芯与保真测试系统”项目负责人。谢和平曾荣获国家自然科学二等奖（2007）、国家科技进步二等奖（2000）、国家科技进步三等奖（1999）、国家自然科学三等奖（1995），及首届“中国青年科学家奖（技术科学）”（1992）、孙越崎能源大奖（2001）、何梁何利基金科学与技术进步奖（2004）和省部级二等以上奖励多项。

2007年被德国克劳斯塔尔工业大学授予荣誉博士学位，2008年入选香港理工大学“杰出中国访问学人奖励计划”，2012年10月被香港理工大学授予荣誉博士学位，2012年11月被英国诺丁汉大学授予荣誉博士学位，2017年5月被牛津大学圣艾德蒙学院授予“牛津大学圣艾德蒙Fellow”学术称号，2018年9月获得“IET杰出大学校长奖”，2018年9月获得国家教学成果特等奖。

谢和平院士长期致力于深地科学与绿色能源领域的基础研究与工程实践。1982年起，创造性引入分形方法，在国际上开创了岩石力学分形研究新领域；在我国最早建立了裂隙岩体宏观损伤力学模型，开拓了裂隙岩体损伤力学研究新领域。首次提出了深部原位岩石力学构想，构建了深部岩体力学与开采理论研究框架。深入探索了低碳技术与CO₂矿化及综合利用，形成一系列CO₂资源化、能源化利用的高效耦合技术原理和方法。

目前正深入探索深地科学与原位保真取芯探矿、粤港澳大湾区地热勘探开发利用、中低温地热磁浮发电变革性技术和温差材料发电颠覆性技术、工程扰动岩石动力理论与技术、低碳与海水制氢等能源化利用技术、月基能源资源探测前沿技术以及深部固体资源流态化开采理论和技术，与国内外研究机构组建粤港澳大湾区地热开发协同创新平台。研究成果已出版10余本中英文专著、发表500余篇论文。

目前科研成果被SCI期刊共引用1300余次。担任International Journal of Hydrogen Energy; Applied energy; Energy; Energy Conversion and Management; International Journal of Energy Research 等多本国际学术期刊审稿人。

也曾担任Science Bulletin副主编，并连续两年荣获Science Bulletin优秀副主编奖。倪萌教授为超过80份国际期刊审稿人，曾于2007年获得香港青年科学家奖，2010获Applied Energy优秀审稿人奖。研究专长：主要研究领域为固体氧化物燃料电池，电解槽，金属-空气电池，和低温余热利用。