图1 异质结构作为固体氧化物燃料电池阴极工作原理
图2 NBC90+B的TEM分析：(a-b) 明场(BF)TEM图；(c-d) HRTEM
图3 NBC90和NBC90+B(在3%CO2下12 h处理后)的(a)阻抗对比图谱和(b)拉曼图谱；(c) NBC90和(d)NBC90+B复合电极在3%CO2下12 h后碳酸盐(~1066 cm-1)的拉曼图像
钙钛矿型氧化物具有特殊的微观结构和良好的电化学稳定性，可以提供更快的氧传输动力学、更高的电导率，满足作为固体氧化物燃料电池阴极材料的要求，尤其是在中温或者更低的温度下仍能保持良好的电化学特性。材料与物理学院煤基燃料电池及高效制氢研究所团队基于层状有序的LnBaCo2O5+δ(Ln=Nd)型双钙钛矿为主要研究对象，通过构建复合阴极和设计新型材料体系的方式来探究电极微观结构、电化学性能、稳定性等关系，以获得新的层状双钙钛矿阴极材料。
通过调控Nd位缺陷诱导合成阳离子偏析的Nd0.9BaCo2O5+δ双钙钛矿氧化物，同时合成Bi离子捕获偏析氧化物，形成稳定纳米BaCo1-yBiyO3-x钙钛矿锚定Nd0.9BaCo2O5+δ双钙钛矿氧化物的异质结构。通过研究异质结构的自组装过程，分析其在构建异质界面在增强ORR催化活性、提高稳定性和CO2耐受性等方面的作用。该研究成果 “A new highly active and CO2-stable heterostructure cathode material for solid oxide fuel cells developed from bismuth ion-modified cation-deficient Nd0.9BaCo2O5+δ”发表在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environment and Energy（影响因子20.2）上。我校材料与物理学院金芳军副教授为第一作者，凌意瀚教授和金芳军副教授为共同通讯作者，中国矿业大学为第一单位。
该研究利用透射电子显微镜(TEM)进一步揭示了Nd0.9BaCo2O5+δ+BaCo1-yBiyO3-x(NBC90+B)的表面微观结构，如图2所示。不同位置(A、B、C和D)的FFT图像，得出两相之间晶格的可能连接：i) NPs(110)//NBC90(110)；ii) NPs(105)和NBC90(100)之间紧密连接。在A|C和B|C之间，可以观察到一个明显的异质界面，它能够调节带隙结构，降低界面电荷转移的能垒。此外，两种材料之间的晶格错配(~4.84%；NPs(105)和NBC90(100))的存在导致一些氧错位和界面上的扭曲，这有助于产生一定浓度的氧空位并加速离子扩散。BaCo1-yBiyO3-xNPs优先沿NBC90外延生长，使它们尽可能多地暴露在空气中。这种各向异性的分布也有助于减小氧动力势能，进一步加速氧离子的传输。由于Nd3+缺陷增加了晶格中氧空位(体氧空位)的浓度，加之BaCo1-yBiyO3-x纳米颗粒的表面活化作用(增加表面氧空位)以及异质结构的快速氧离子输运能力，复合材料的电化学性能得以提升。并且，NBC90+B通过在CO2气氛下阻抗测试和拉曼光谱分析显示高酸度的Bi离子进入晶格中阻碍了酸性CO2的反应和吸附，减小了碳酸盐的生成，提升了抗CO2中毒能力。长期稳定性测试显示NBC90+B在通入8%CO2之后的单电池能够运行，衰减率仅为0.54%h-1。由于Bi离子修饰的特殊组装形式以及构建的异质结构的协同作用，NBC90+B表现出优良的ORR催化活性和CO2稳定性。
以上工作得到了多个国家项目的支持(国家重点研发计划（2021YFA1501900）和国家自然科学基金委(52272257, 52104229))。
材料与物理学院煤基燃料电池及高效制氢研究所团队长期致力于高效发电和电解水制氢的电极材料、单电池、系统方面的研究，为助力“双碳”目标实现作贡献。
