中國粉體網訊 近日，北京理工大學孫克寧教授團隊在質子陶瓷燃料電池氧電極材料設計方面取得新進展，相關研究成果以“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”為題發表在國際期刊Applied Catalysis B: Environmental上（IF="24.319），北京理工大學為唯一通訊單位，化學與化工學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。
質子陶瓷燃料電池（Protonic Ceramic Fuel Cell，PCFC）是一種以質子導體為電解質的固體氧化物燃料電池，具有環境效應好、能量轉化效率高、燃料適應性強以及溫度依賴性低等優點，在大型集中供電、分布式發電、家用熱電聯供系統、以及船舶車輛動力電源等領域有著廣闊的應用前景。氧電極是影響PCFC發電效率的關鍵部件之一，其核心功能是催化氧氣分子、電子以及質子這三者之間的電化學反應。在氧電極的體相引入質子導電功能可以增加氧電極的活性位點，是提高氧電極催化活性的核心手段。由于質子在氧電極中屬于外源性物種，設計具有本征質子導電性質的氧電極材料仍具有非常大的挑戰，近年來引起了研究者們的重點關注。
為了實現質子在氧電極中的快速擴散，團隊在前期研究中分別提出了氧空位推動（J. Mater. Chem. A, 2019,7, 18365-18372）以及氧離子堿性調控（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子缺陷的濃度和穩定性。在這些研究基礎上，該團隊繼續提出了氟化誘導機制，對鈣鈦礦氧化物進行氟化處理，利用氟原子的高電負性調控質子與氧離子之間的相互作用，促進了質子在氧離子之間的快速遷移。實驗和理論計算研究共同表明，氟原子的引入會產生強烈的誘導效應，一方面可增加鈣鈦礦氧電極中金屬氧鍵的極化度，促進外源性質子進入電極體相中，同時氟原子會減小氧原子周圍的電荷密度，減弱氧原子對質子的束縛作用，促進質子在相鄰氧原子上的躍遷。氟化鈣鈦礦的質子擴散系數可達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到了921 mWcm−2。這一研究對設計具有高質子傳輸特性材料具有啟發意義，可廣泛用于質子導體基電化學能量轉化裝置中，例如，CO2和H2O的共轉化、水分解和氨合成。
氟化鈣鈦礦氧化物作為氧電極的PCFC電化學性能
上述研究得到了國家自然科學基金（22078022、22178023、22179007）以及中國博士后科學基金（2021M690379）的資助。
（中國粉體網編輯整理/山川）
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