小尺寸原子驱动晶格畸变实现高熵氧化物：兼具化学稳定性与活性增强的固体氧化物燃料电池实用阴极

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Small-Size Atom-Driven Distortion Realizes High-Entropy Oxides with Simultaneous Chemical Stability and Activity Enhancement Enabling a Practical Cathode for Solid Oxide Fuel Cells

本文推荐一种通过小尺寸原子掺杂诱导晶格畸变的高熵氧化物策略，成功开发出新型Ba0.2Sr0.2La0.2Pr0.2Sm0.2Co0.2Fe0.8O3-δ（H-BSCF）阴极材料。该材料通过高熵效应增强晶格稳定性，抑制相变与元素偏析，同时优化Co3+自旋态与轨道杂化（orbital hybridization），在保持高氧还原反应（ORR）活性基础上显著提升抗CO2/Cr中毒能力，为固体氧化物燃料电池（SOFC）实用化提供新思路。

　　

Highlight

小尺寸原子驱动的晶格畸变技术成功打造出高熵氧化物“明星材料”——它既能稳坐化学稳定性的钓鱼台，又能在催化活性上大放异彩，堪称固体氧化物燃料电池阴极界的“六边形战士”！

材料制备

Ba_0.8Sr_0.2Co_0.2Fe_0.8O_3-δ（BSCF）和它的高熵升级版La_0.2Pr_0.2Sm_0.2Ba_0.2Sr_0.2Co_0.2Fe_0.8O_3-δ（H-BSCF）粉末通过一场精彩的燃烧法合成大戏诞生。实验团队像调配鸡尾酒般精准称量硝酸镧、氧化镨等七种原料，用乙二胺四乙酸（EDTA）和柠檬酸充当“分子胶水”，经过蒸发、凝胶化、自蔓延燃烧和高温煅烧四部曲，最终炼成相态纯净的钙钛矿粉末。

电极材料的形貌与结构

图1a的X射线衍射（XRD）图谱显示，经过1000°C高温历练的BSCF和H-BSCF都展现出标准的钙钛矿相结构。有趣的是，H-BSCF的衍射峰像个害羞的少女般向高角度方向躲闪——这其实是小尺寸稀土离子取代钡离子后引发的晶格收缩现象。钡离子（1.61 ?）和锶离子（1.44 ?）的“大块头”被镧（1.36 ?）、镨（1.13 ?）、钐（1.24 ?）等“小个子”稀土离子替换后，晶格产生显著畸变，就像给晶体结构做了次“瘦身手术”。扫描电镜（SEM）图像进一步证实，H-BSCF的晶粒尺寸更加均匀细腻，仿佛经过精心打磨的玉石。

结论

这项研究像一位高超的晶体结构魔术师，通过高熵策略和尺寸设计成功开发出抗毒性能超群的H-BSCF阴极材料。其稳定性的秘密武器在于：熵诱导的晶格畸变通过Jahn-Teller效应调控过渡金属离子的自旋态，引发d轨道分裂和高低自旋态共存，如同给电子们开了场“旋转舞会”。这种电子结构调控不仅增加了未配对电子数量，还强化了Co 3d-O 2p轨道杂化，让氧离子迁移像坐滑梯般顺畅，同时牢牢锁住晶体结构防止坍塌。密度泛函理论（DFT）计算更是送上神助攻，证实H-BSCF拥有更优的氧迁移能和表面偏析能。这种“鱼与熊掌兼得”的特性，让H-BSCF在固体氧化物燃料电池的工业应用赛道上闪闪发光！