北理工團(tuán)隊(duì)在質(zhì)子陶瓷燃料電池研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-07-22 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
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近日，北京理工大學(xué)孫克寧教授團(tuán)隊(duì)在質(zhì)子陶瓷燃料電池氧電極材料設(shè)計(jì)方面取得新進(jìn)展，相關(guān)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”為題發(fā)表在國際期刊Applied Catalysis B: Environmental上（IF="24.319），北京理工大學(xué)為唯一通訊單位，化學(xué)與化工學(xué)院孫克寧教授和王振華教授為文章共同通訊作者，博士后任戎征為該論文的第一作者。
質(zhì)子陶瓷燃料電池（Protonic Ceramic Fuel Cell，PCFC）是一種以質(zhì)子導(dǎo)體為電解質(zhì)的固體氧化物燃料電池，具有環(huán)境效應(yīng)好、能量轉(zhuǎn)化效率高、燃料適應(yīng)性強(qiáng)以及溫度依賴性低等優(yōu)點(diǎn)，在大型集中供電、分布式發(fā)電、家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)、以及船舶車輛動(dòng)力電源等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。氧電極是影響PCFC發(fā)電效率的關(guān)鍵部件之一，其核心功能是催化氧氣分子、電子以及質(zhì)子這三者之間的電化學(xué)反應(yīng)。在氧電極的體相引入質(zhì)子導(dǎo)電功能可以增加氧電極的活性位點(diǎn)，是提高氧電極催化活性的核心手段。由于質(zhì)子在氧電極中屬于外源性物種，設(shè)計(jì)具有本征質(zhì)子導(dǎo)電性質(zhì)的氧電極材料仍具有非常大的挑戰(zhàn)，近年來引起了研究者們的重點(diǎn)關(guān)注。
為了實(shí)現(xiàn)質(zhì)子在氧電極中的快速擴(kuò)散，團(tuán)隊(duì)在前期研究中分別提出了氧空位推動(dòng)（J. Mater. Chem. A, 2019,7, 18365-18372）以及氧離子堿性調(diào)控（ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 5, 4914-4922）等手段，有效提高了鈣鈦礦氧電極中質(zhì)子缺陷的濃度和穩(wěn)定性。在這些研究基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)繼續(xù)提出了氟化誘導(dǎo)機(jī)制，對(duì)鈣鈦礦氧化物進(jìn)行氟化處理，利用氟原子的高電負(fù)性調(diào)控質(zhì)子與氧離子之間的相互作用，促進(jìn)了質(zhì)子在氧離子之間的快速遷移。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算研究共同表明，氟原子的引入會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的誘導(dǎo)效應(yīng)，一方面可增加鈣鈦礦氧電極中金屬氧鍵的極化度，促進(jìn)外源性質(zhì)子進(jìn)入電極體相中，同時(shí)氟原子會(huì)減小氧原子周圍的電荷密度，減弱氧原子對(duì)質(zhì)子的束縛作用，促進(jìn)質(zhì)子在相鄰氧原子上的躍遷。氟化鈣鈦礦的質(zhì)子擴(kuò)散系數(shù)可達(dá)1.21 × 10?5 cm2·s?1，是未氟化鈣鈦礦材料的三倍之多（4.30 × 10?6 cm2·s?1）。以氟化鈣鈦礦為氧電極的PCFC在650°C的工作溫度下功率密度達(dá)到了921 mWcm?2。這一研究對(duì)設(shè)計(jì)具有高質(zhì)子傳輸特性材料具有啟發(fā)意義，可廣泛用于質(zhì)子導(dǎo)體基電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化裝置中，例如，CO2和H2O的共轉(zhuǎn)化、水分解和氨合成。
氟化鈣鈦礦氧化物作為氧電極的PCFC電化學(xué)性能
上述研究得到了國家自然科學(xué)基金（22078022、22178023、22179007）以及中國博士后科學(xué)基金（2021M690379）的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121759
附作者簡介：
任戎征，2015年畢業(yè)于北京理工大學(xué)能源化學(xué)工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，2015-2020年在北京理工大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)專業(yè)碩博連讀，2020年至今在北京理工大學(xué)從事博士后研究。主要從事固體氧化物燃料電池/電解池方面的研究，迄今作為第一作者在Appl. Catal. B-Environ.，J. Mater. Chem. A，ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上發(fā)表SCI論文5篇，引用150余次，主持中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目1項(xiàng)，參與國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等多項(xiàng)。
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