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在 SOFC 实际运行中，CO2导致阴极性能下降是关键问题。研究人员对 LSCF 阴极进行表面缺陷工程，通过选择性产生表面缺陷，缓解 Sr 偏析，优化 Co/Fe 位点配位。改性后阴极 CO2耐受性增强，PPD 提升约 33%，为 SOFC 电极设计提供新思路。
研究背景与意义
随着工业快速发展，化石燃料使用激增，温室效应愈发严重。全球能源需求的巨大增长使得温室气体排放量大幅上升，开发可持续能源及其应用成为解决这一问题的关键。Power-to-X 技术可将可再生能源转化为便于运输和储存的化学品与燃料，是应对温室气体排放问题的重要途径。固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效装置，能直接将化学能转化为电能，转换率高且副产物仅为水，在可持续能源领域备受关注。
然而，SOFC 面临着严峻挑战，在高温下长期性能会退化，使用寿命有限，尤其是当阴极暴露于大气成分（如 CO2）时，问题更为突出。CO2中毒是 SOFC 阴极实际应用中亟待解决的重大问题。ABO3型钙钛矿因其出色的催化活性、混合离子与电子导电性以及中温下的成分可变性，成为 SOFC 中常用的阴极材料。钙钛矿结构中的 A/B 阳离子对维持 ABO3结构、形成氧空位及增强阴极氧还原反应（ORR）活性至关重要。A 位引入锶（Sr）可显著提升钙钛矿阴极的电子导电性，这对 SOFC 中钙钛矿阴极的高效运行至关重要。
但钙钛矿阴极存在两个主要问题：一是表面交换过程相对缓慢，直接影响转换效率，而非体电荷传输过程；二是实际运行中，由于离子半径差异导致 A 位掺杂元素（如 Sr）表面富集，长期活性会下降。Sr 表面富集在高温下与 CO2反应生成稳定的次级相（如 SrCO3），对 ORR 的表面电催化活性产生不利影响，导致电极性能持续下降。尽管已有通过 A 或 B 位掺杂、非化学计量控制（如 A 位缺陷）等体优化策略来优化钙钛矿阴极以实现快速表面交换和高 CO2耐受性，但这些策略无法在材料中形成表面和体成分梯度，且表面区域的缺陷或空位含量需限制在低水平以避免结构崩溃。因此，SOFC 的发展迫切需要一种有效的方法来调节钙钛矿材料的表面缺陷。
为解决上述问题，深圳相关研究机构的研究人员开展了针对钙钛矿氧化物表面缺陷工程的研究，旨在提升 SOFC 的电化学活性和 CO2耐受性，该研究成果发表在《Fuel》上。
主要关键技术方法
研究采用表面缺陷工程技术，通过酸蚀刻处理对 LSCF 商业样品进行表面改性。利用 X 射线衍射（XRD）技术并结合 Rietveld 精修，评估表面缺陷对 LSCF 样品晶体结构的影响，通过分析 XRD 数据确定样品的晶体结构参数，以研究表面缺陷工程的效果。
研究结果
样品制备
采用溶胶 - 凝胶法合成 LSCF 粉末。将适量金属硝酸盐前驱体加入去离子水，混合后在 55℃水浴中加热至所有固体溶解，升温至 80℃，同时按金属离子：柠檬酸：EDTA 摩尔比 1:1.5:0.5 加入柠檬酸和 EDTA，保持溶液温度 80℃蒸发水分，制成暗红色物质。
表面改性对晶体结构和微观结构的影响
通过酸蚀刻处理对 LSCF 商业样品进行相同的表面缺陷工程技术操作。运用 XRD 技术及 Rietveld 精修，对 LSCF-Raw（未处理样品）和 LSCF-1（处理后样品）的晶体结构进行分析，根据 XRD 分析确定的精确参数对样品晶体结构进行建模，以评估表面缺陷对 LSCF 样品晶体结构的影响，验证缺陷工程的精度。
性能评估
在加速降解测试条件下，经表面缺陷工程处理的 LSCF 阴极（LSCF-1）表现出高电催化性能和出色的抗高浓度 CO2耐久性。较低的阴极极化电阻使其峰值功率密度（PPD）提升至 655.9 mW cm-2，与未处理电池相比，在相同操作条件下 PPD 提高约 33%。
研究结论与讨论
本研究通过表面缺陷工程技术对酸蚀刻 LSCF 阴极（LSCF-1）的完整性进行了研究，结果表明该技术可在燃料电池条件下、高浓度 CO2气氛中实现更高的 PPD 性能和长期耐用性运行。表面缺陷工程方法通过减少 LSCF 成分中的 Sr 含量，在 LSCF-1 阴极表面产生缺陷，进一步部分缓解了 Sr 偏析，优化了活性 Co/Fe 位点的局部配位环境，从而增强了电催化活性和耐久性。
该研究表明，表面缺陷工程是一种有前景且有效的方法，可激活钙钛矿材料的表面电化学，为提升钙钛矿材料的活性和耐久性提供了新策略，为 SOFC 电极材料的合理设计和进一步优化提供了理论见解，有助于推动 SOFC 在实际应用中的发展，为解决能源与环境问题提供了新的技术路径。
