从钙钛矿结构向Ruddlesden-Popper结构转变的氧电极：在质子陶瓷电池中实现更高效的可逆氢生产和发电

《Materials Today》：Structural transformation of oxygen electrode from perovskite to Ruddlesden-Popper for enhanced reversible hydrogen production and power generation in protonic ceramic cells

可逆质子陶瓷电化学电池（RPCEC）电极开发中，通过锶掺杂实现普鲁士春-镍钴氧体系（PNC）的结构转变，成功制备出具有Ruddlesden-Popper层状结构的(Pr0.6Sr0.4)2Ni0.7Co0.3O4-δ电极（PSNC）。在600℃下，PSNC电极在燃料电池模式下峰值功率密度达1.03 W cm?2，电解质模式下电流密度达1.30 A cm?2，同时展现出优异的长期稳定性和动态电压循环耐受性，归因于层状结构的高氧空位浓度及优异的离子/电子传输特性。

　　在当前全球能源转型的背景下，可持续能源技术的开发变得尤为重要。随着对可再生能源需求的增加，传统的化石燃料依赖模式正面临严峻挑战。因此，科学家们正在探索新的技术方案，以实现更高效、更安全的能源生产和储存。其中，可逆质子陶瓷电化学电池（Reversible Protonic Ceramic Electrochemical Cells, RPCECs）因其能够在同一设备中实现电能生成与氢气生产，展现出广阔的应用前景。然而，这类电池的商业化仍面临诸多挑战，尤其是电极材料在动态负载条件下的稳定性和性能问题。

为了解决这些问题，研究人员开发了一种新型的电极材料，其结构基于 Ruddlesden-Popper（R-P）型氧化物。这种电极材料为 (Pr_0.6Sr_0.4)₂Ni_0.7Co_0.3O_4-δ，即 PSNC。通过系统性地在 PrNi_0.7Co_0.3O_3-δ（PNC）中引入 Sr²⁺，不仅实现了电极性能的提升，还促使了结构上的转变。这种转变将原本的正交晶系钙钛矿结构转变为更稳定的层状 R-P 结构，从而优化了质子传输路径，并提高了电化学反应的效率。

在实验研究中，研究人员通过溶胶-凝胶法合成了 PSNC 电极粉末。这种合成方法使得电极材料具有良好的均质性和稳定性，同时保持了对电化学性能的优化。此外，为了进一步提升材料的性能，还采用了固态球磨法合成对称电池所需的电解质材料 BCZYYb。这些材料在高温下的性能表现良好，显示出较低的电阻和较高的离子传导能力，有助于提升 RPCEC 的整体效率。

在对称电池的制备过程中，研究人员将 BCZYYb 电解质粉末与 NiO 和玉米淀粉混合，形成具有特定比例的电极材料。这种混合方式确保了电极的均匀分布和良好的结合性能，从而提高了电池在运行中的稳定性和效率。电极和电解质的结合通过刷涂工艺完成，随后在高温下进行烧结，以获得高密度和良好结构的电池组件。

为了评估 PSNC 电极的电化学性能，研究人员进行了多种测试，包括开路电压下的面积特定电阻（ASR）测量、恒电流条件下的性能测试，以及不同蒸汽浓度下的法拉第效率（FE）测量。这些测试结果显示，PSNC 电极在 600°C 条件下表现出优异的性能，其在燃料电池模式下的峰值功率密度达到 1.03 W cm^?2，在电解模式下电流密度可维持在 1.30 A cm^?2，且在 1.30 V 下法拉第效率高达 85%。这些结果表明，PSNC 电极在高蒸汽浓度和动态负载条件下具有出色的稳定性与耐用性。

进一步的实验表明，PSNC 电极在动态电压波动条件下仍能保持良好的性能。在燃料电池模式下，通过一系列电压波动测试，研究人员发现 PSNC 电极在长时间运行中表现出极高的稳定性和较低的极化电阻。这表明该电极能够有效适应实际应用中的负载变化，从而保证了设备的长期运行可靠性。此外，在电解模式下，PSNC 电极也显示出良好的可逆性能，其在不同电压下的电流密度保持稳定，且在长时间运行后仍能维持较高的效率。

材料的结构和界面特性分析也表明，PSNC 电极具有良好的晶格结构和界面相容性。通过 XRD 和 TEM 等技术手段，研究人员确认了 PSNC 电极的晶格结构及其与电解质之间的良好匹配。这些特性不仅提升了电极的机械强度，还增强了其在高温和蒸汽环境下的稳定性。此外，XPS 和 EPR 测试进一步验证了 PSNC 电极中氧空位的浓度较高，这有助于提升质子的传输效率和电化学反应的活性。

综上所述，PSNC 电极在结构设计和性能优化方面展现出显著优势。其不仅能够在高蒸汽浓度和动态负载条件下保持优异的电化学性能，还表现出良好的长期稳定性与可逆性。这些特性使其成为下一代可逆质子陶瓷电化学电池的理想选择，有望推动清洁能源技术的发展，并在实际应用中发挥重要作用。