鑽石舞台

質子導體在 600 °C 以下具有高離子電導率及低活化能(Ea＜0.5 eV)，可降低固體氧化物燃料電池 (SOFCs) 操作溫度，因此，質子陶瓷燃料電池 (PCFC) 有望成為更為高效的 SOFCs 選擇。但工作溫度的降低可導致氧還原反應 (ORR) 活性相對較差，從而導致較大陰極極化，增加電池損耗。PCFC 的一個主要技術問題是高 ORR 阻力和差陰極耐久性。

因此，發展合適新材料、新策略或新設計以獲得高催化活性陰極，進一步提高 PCFC 的性能，是目前本研究領域的熱門話題。

南華大學侯傑教授和畢磊教授團隊基於較複雜晶體結構新型四方相鈣鈦礦相關陰極材料 Sm2Ba1.33Ce0.67Cu3O9(SBCC)，發展了一種低成本線性電流掃描 (LCS) 方法原位構築緻密活性陰極功能性界面夾層 (CFI)，以增強質子陶瓷燃料電池 (PCFC) 的電極-電解質界面反應。

在 LCS 過程中，SBCC/BZCY 界面處緻密化過程和 Ba 元素偏析同步發生，導致 SBCC 和 BZCY 兩層間形成 2 μm 厚 SBCC@Ba(Zr,Ce)1-x(Sm,Y,Cu)xO3-δ (BZCSYC) 夾層，促進 SBCC@BZCSYC CFI-陰極界面處反應。經由緻密 CFI 和多孔 SBCC 陰極的配合，基於 BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ 電解質的單電池獲得了極好的電性能，峰值功率密度在 700 °C 和 600 °C 達 1669 和 905 mW cm-2，對應的界面極化電阻為 0.027 和 0.115 Ω cm2 。

該成果以「Advancing cathodic electrocatalysis via an in situ generated dense active interlayer based on CuO5 pyramid-structured Sm2Ba1.33Ce0.67Cu3O9」為題，發表於 Journal of Materials Chemistry A，併入選為期刊封面文章 (Front cover)。

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圖 1 (a) (Ln1-xCex)2 (Ba1-yLny)2Cu3O10-δ (Ln: Nd, Sm, Eu)的晶體結構；(b) Ln(Ce)-氧原子在 (Ln1-xCex) 2 (Ba1-yLny)2Cu3O10-δ 中的鍵合；(c) Nd-氧原子在 Nd2CuO4 氧化物中，和 (d) Ce-氧原子在 CeO2 中；(e) Sm2Ba1.33Ce0.67Cu3O9 晶體結構。

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圖 2 (a) BZCY 和 SBCC 在 1000 和 900 ℃ 燒制的 XRD 圖譜，以及干混複合粉末 BZCY-SBC 在 900 ℃ 燒制 5 h 的 XRD 圖譜；(b) SBCC 粉末的明場 TEM 和 (c) 應的選區電子衍射(SAED)圖；(d) SBCC 在(110)晶格平面的高分辨率 TEM (HR-TEM)圖像。

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圖 3 SBCC 粉末中 (a) Sm 3d, (b) Ba 3d, (c) Ce 3d 和 (d) Cu 2p 的核心 XPS 光譜。

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圖 4 (a) LCS 處理後的 SBBC 陰極/中間層/BZCY 電解質配置和 (b) 測試前未經 LCS 處理組裝後的 SBBC/BZCY 界面的橫截面 SEM 圖像；(c) 三層 SBBC/Interlayer/BZCY 的 SEM EDS 元素映射。

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圖 5 (a) Ba 擴散 SBCC 粉末在 1400 °C 退火 10 h 的 HR-TEM 圖像；(b) SBCC@Ba(Zr,Ce) 1-x(Sm,Y,Cu) xO3-δ 核/殼結構的 BZCY 基燃料電池與 SBCC 陰極的中間層的形成過程示意圖。

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圖 6 (a) NiO-BZCY|AFL|BZCY|CFI|SBCC 單電池在 500-700 °C 下獲得的典型 V-I 和 P-I 曲線和(b) 在開路條件下測量的相應電化學阻抗譜（EIS）；(c) 從 EIS 估計的 Ro 和 Rp 的 Arrhenius 圖和 (d) 具有 SBCC 陰極和原位產生的 CFI 在 600 °C 的電池的穩定性測試；(e) SBCC 陰極層和 (f) 測試後具有 CFI 和 SBCC 陰極的五層單電池的橫截面 SEM 圖像。

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圖 7 (a) 陰極整體 ORR 過程和 BZCY 電解質通過 CFI 到 SBCC 陰極層的質子傳輸過程示意圖，(b) CFI/陰極界面處的 ORR 模式和(c) SBCC 和 CFI 內 BZCSYC 相中的質子遷移；(d) CuO6 八面體和(e) CuO5 金字塔/BZCSYC 和(f) Sm(Ce)O 層/BZCSYC 界面處的質子擴散路徑。

亮點二：提出一種定製電極界面的先進技術，通過可控 LCS 處理方法，在電解質和陰極之間原位生成 2 μm 厚緻密 CFI，優化 PCFC 獲得高性能。

亮點三：解析 SBCC@BZCSYC 陰極功能性夾層形成機理，揭示質子在 BZCSYC 相和CuO6 八面體轉移機制，以及氫鍵在 CuO5 金字塔/BZCSYC 和 Sm(Ce)O 晶體層/BZCSYC 過渡區域快速斷裂和形成機理對質子轉移的作用。

侯傑 特聘教授

南華大學

畢磊 教授

南華大學

畢磊博士畢業於中國科學技術大學，後分別赴日本國家材料研究所（NIMS）和沙特阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）進行研究工作。現任南華大學教授，博士生導師，湖南省「百人計劃」項目入選者。

擔任國際學術期刊 Electrochemistry Communications 編輯。研究方向為質子導體固體氧化物燃料電池，在國內外高水平期刊上發表學術論文 120 余篇，有 8 篇論文被選為期刊的封面論文，有 12 篇文章入選 ESI 前 1% 高被引論文，H 因子為 49。