4d/5d掺杂剂在SrCoO3-δ基固体氧化物燃料电池空气电极设计中的作用机制与性能优化研究

为解决固体氧化物燃料电池(SOFC)在低温(600-800°C)运行时空气电极催化活性不足的问题，研究人员系统研究了Nb5+(4d)和Ta5+(5d)掺杂对SrCoO3-δ(SCO)基电极材料的结构稳定性、电导率和电催化性能的影响。通过优化掺杂比例，成功制备出具有立方Pm-3m结构的SrCo0.8Nb0.1Ta0.1O3-δ材料，在700°C下获得0.042 Ω cm2的低极化电阻，并通过复合电极设计改善了界面机械稳定性。该研究为开发高性能中低温SOFC电极材料提供了重要理论依据。

　　

随着全球能源结构转型加速，固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高效、环保的能源转换特性备受关注。然而传统SOFC工作温度过高(>800°C)导致材料降解、启动缓慢等问题，降低运行温度至中低温范围(600-800°C)成为研究热点。这一转变面临的核心挑战是空气电极氧还原反应(ORR)动力学显著下降，其中SrCoO_3-δ(SCO)基材料因其优异的氧扩散系数和混合导电性被视为理想候选，但其结构不稳定性和高热膨胀系数(TEC)严重制约实际应用。

为突破这一瓶颈，研究人员开展了4d/5d过渡金属元素掺杂的系列研究。通过对比Nb⁵⁺(4d)和Ta⁵⁺(5d)这两种离子半径相同但电负性不同的掺杂剂，系统探究了它们对SCO基材料结构稳定性和电催化性能的调控机制。研究发现双掺杂策略可协同优化材料性能，相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。

研究采用X射线衍射(XRD)、X射线吸收光谱(XAS)、热重分析(TG)和电化学阻抗谱(EIS)等技术手段。通过固相反应法合成系列SrCo_1-x-yNb_xTa_yO_3-δ材料，利用碘量滴定法测定氧非化学计量比，采用四探针法测量电导率，并通过对称电池测试评估电极性能。

3.1 结构与形貌特征
XRD分析显示10%单掺杂样品呈现P4/mmm四方结构，而20%以上掺杂及共掺杂材料均稳定为立方Pm-3m相。XAS证实Co价态主要维持在+3，氧空位是主要电荷补偿机制。TEM显示共掺杂材料具有更均匀的纳米级颗粒分布。

3.2 热机械性能
膨胀测试揭示所有材料TEC值在(23.3-27.5)×10^-6 K^-1范围，其中SrCo_0.8Nb_0.1Ta_0.1O_3-δ表现出最低的热膨胀行为。高温XRD证实材料在1000°C内结构稳定。

3.3 电学性能
电导率测试显示典型半导体-金属转变行为，最大电导率达422 S cm^-1(SrCo_0.9Nb_0.1O_3-δ)。塞贝克系数分析表明载流子传输不符合单纯的小极化子模型。

3.4 对称电池电化学表征
电化学测试中，SrCo_0.8Nb_0.1Ta_0.1O_3-δ在700°C下获得最低极化电阻(0.042 Ω cm²)。弛豫时间分布(DRT)分析表明氧还原过程是速率控制步骤。虽然添加GDC的复合电极未能降低总极化电阻，但显著改善了电极/电解质界面稳定性。

该研究通过多尺度表征揭示了4d/5d元素掺杂对SCO基材料性能的调控规律：Nb/Ta共掺杂通过协同效应优化了Co-O键共价性和氧空位浓度，使材料在保持高离子电导率(0.020-0.050 S·cm^-1)的同时获得优异ORR活性。特别值得注意的是，虽然复合电极策略在热机械稳定性方面取得进展，但其电化学性能提升有限，这提示未来研究需在保持材料本征活性的前提下，通过微观结构设计进一步优化界面特性。这些发现为开发新一代中低温SOFC电极材料提供了重要设计原则，对推进清洁能源技术实用化具有显著意义。