▲第一作者：Wenjuan Bian, Wei Wu通訊單位：美國愛達荷國家實驗室; 美國麻省理工學院DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04457-y
質子陶瓷燃料/電解電池(PCFCs/PCECs)在400-600℃具有良好的運行前景，雖然已經證明了體電解質的高質子電導率，但電化學電池中的歐姆電阻大於僅從體離子電導率估計的理論值，這種不一致性是由於氧電極和電解質之間的接觸不良造成的。其次，氧電極-電解質界面的機械性能較弱，尤其是在高電流密度的PCEC操作下，這會導致分層和其他形式的降解，因此不能完全用於電化學全電池。
1.本工作表明這些問題是由於低溫處理的氧電極-電解質界面之間的接觸不良引起的。證明了簡單的酸處理可以有效地使高溫退火的電解質表面恢復活力，使氧電極與電解質之間發生反應鍵合，從而提高電化學性能和穩定性。2.本工作通過簡單的酸處理，使質子陶瓷燃料電池可在低至350°C條件下運行，峰值功率密度在600°C 時為1.6 W cm-2，在450°C時為650 mW cm-2，在350°C時為 300 mW cm-2，以及在1.4 V和600 °C時電流密度高於3.9 A cm-2的穩定電解操作。3.本工作突出了界面工程在陶瓷電化學設備中的關鍵作用，並為可持續能源基礎設施提供了新的理解和實踐。
1、PCFCs/PCECs一般先通過在高溫T1下共燒結氫電極-電解質雙層，然後絲網印刷或塗漆氧電極層，然後在較低溫度T2下進行第二步燒結來製備（圖1a）。然而，質子陶瓷電解質難以緻密化，這需要在T1≥1,400°C（BZCYYb）和T1≥1,500°C（BZY）下共燒結。2、本工作提出了一種酸處理，以在與氧電極結合之前使高溫退火的電解質表面恢復活力（圖1a）。本工作證明了它可以完全恢復電化學電池中的理論體積質子電導率，並顯著提高電池性能以及熱機械和電化學穩定性。3、為了製備氫電極支持的半電池，本工作將NiO+BZCYYb氫電極和BZCYYb電解質共燒結以產生具有粗晶粒結構的緻密電解質（圖1b），厚度約為22 μm，表面相對平坦，粗糙度為0.28 μm（圖1d）。
▲圖2.氧電極-電解質界面的反應性燒結改善了界面結合
1、本工作對經過10分鐘處理和擴散粘合的樣品進行了像差校正掃描透射電子顯微鏡(STEM)和EDS（圖2）。圖2a-j顯示了氧電極-電解質界面附近的樣品切片（大約100 nm厚）。2、為了獲得更高的空間分辨率和更好的統計數據，本工作將不同位置的另一個切片減薄到大約20 nm的厚度。如圖2k-t 所示，除了PNC55（左上角）和BZCYYb（底部）之外，本工作再次觀察到一個新相，這次富含Pr、Zr、Y、Yb 和O。這些觀察表明，在T2燒結過程中，界面處發生了活躍的化學反應。3、這代表了反應性燒結的界面形式，它在增強的化學驅動力下提供了更好的粘合/粘附。粗糙且粘合良好的特徵（圖2u，v）進一步證明了高質量的氧電極-電解質界面。
1、對於電化學性能，本工作首先在400–650°C的開路電壓(OCV)條件下對燃料電池進行了電化學阻抗譜(EIS)測試，氫電極為H2+3% H2O，氧電極為O2，如圖3a所示。2、本工作進一步使用無量綱的降低溫度kBT/Ea和無量綱的相對「電阻」 R進行歸一化，並將所有數據摺疊成圖3f 所示的Arrhenius圖中的一條曲線。3、歸一化表明了同時降低Ro和Rp的單一機制，它通過降低它們的指前因子而不改變電極反應和質子傳導機制（通過不變的活化能推斷）來工作。很可能，這是因為氧電極和電解質之間的真實接觸面積增加了。
1、本工作表明，降低的電池電阻提高了PCEC和PCFC的全電池性能。在PCEC中，氫電極的原料是純H2，氧電極的原料是O2+30% H2O。當施加大於OCV的電壓（例如，600°C時為1.04 V）時，電流密度j的絕對值（在PCEC中定義為負，在PCFC中定義為正）表徵電池性能。2、如圖4a所示，在相同的外加電壓下，處理後的電池比未處理的電池獲得更大的|j|。對於PCEC，在1.4 V和600 °C下，經過10分鐘處理的電池比未處理的電池增加了2.8倍，達到|j|=3.07 A cm−2。此外，經過10分鐘處理的電池顯示出比未經處理的電池更高的法拉第效率和H2產率。3、儘管具有「標準」電解質和電極成分以及易於加工的電池結構，但經過10分鐘處理的電池仍優於文獻中報道的PCFC數據（圖4c，紅色實心圓圈）。如圖4d所示，經過10分鐘處理的電池（紅色實心圓圈）中的σ不僅高於文獻結果，而且在散裝BZCYYb樣品中完全恢復了其固有的理論值（達到大約97%的固有電導率，而未經處理的電池中僅為44%左右）。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04457-y
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