质子陶瓷电池的性能优化
徐玫瑰¹，邵宗平^1
1 南京工业大学化学工程学院材料化学工程国家重点实验室，南京，210009
质子陶瓷电池（PCC）可以在燃料电池和电解电池模式下交替运行，但由于缺乏具有高氧还原/析出反应（ORR/OER）活性、低热膨胀系数、运行稳定性优异的空气电极和高催化活性的燃料电极，其实际应用受到限制。首先，鉴于Mg的低价态和碱土金属特性，我们在BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1O_3-δ（BCFZY）晶格中掺杂少量（5%）的Mg，其仍能保持立方钙钛矿结构。有趣的是，Ba(Co_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1)_0.95Mg_0.05O_3-δ（BCFZYM）表现出比BCFZY更高的氧离子和质子电导率，以及更强的质子吸收能力，从而在质子导体电解质BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.1Yb_0.1O_3-δ（BZCYYb）上表现出优异的ORR/OER活性^[1]。其次，我们在氧化气氛下实现了Ni阳离子析出，成功制备出Ba_0.95(Co_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1)_0.95Ni_0.05O_3-δ(BCFZYN)纳米复合空气电极，其在质子电解质BZCYYb上表现出优异的ORR/OER催化活性，满足PCC空气电极的双功能要求^[2]。BCFZYN纳米复合材料由钙钛矿主相(D-BCFZYN)和部分NiO纳米颗粒组成。优异的ORR/OER活性归因于NiO纳米颗粒上的快速蒸汽吸附，以及D-BCFZYN主相的快速O₂解吸和质子传导。然后，我们通过“负热膨胀补偿调节”概念，通过固相烧结将具有高电化学活性和热膨胀系数（TEC）的SrFeO_3-δ（SF）与10wt.%负热膨胀材料（NTE，Zr₂W₃O₁₂氧化物）结合在一起，有效地将SF的TEC从31.4×10^-6K^-1降到了19.7×10^-6K^-1，实现与电解质良好匹配的热膨胀性能。当将其应用于PCC时，该空气电极与电解质界面稳定性显著提升，复合电极材料热机械稳定性增强。最后，针对传统Ni基阳极支撑的直接氨燃料电池（DA-PCFC）的活性不足及Ni烧结问题，我们通过对比不同比例的Ru掺杂的Pr_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ（PSCF），开发出Pr_0.6Sr_0.4(Co_0.2Fe_0.8)_0.85Ru_0.15O_3-δ（PSCFR15）作为DA-PCFC的阳极催化涂层。通过实验和密度泛函理论（DFT）模拟证明了析出的CoFeRu合金优化了催化过程中的氨吸附和氮解吸过程，从而提高了氨分解活性。并且含有PSCFR15催化涂层的DA-PCFC在650 ^oC时实现了630 mW cm^-2的功率输出，电池稳定运行超过300小时，有效抑制了阳极的Ni颗粒烧结。

质子陶瓷电池,空气电极,氨燃料电极