基于铁的电极中的晶格畸变驱动自旋态工程，用于高性能可逆质子传导固体氧化物电池

《Advanced Energy Materials》：Lattice Distortion Driven Spin-State Engineering in Fe-Based Electrodes for High-Performance Reversible Proton-Conducting Solid Oxide Cells

可逆质子传导固态氧化物电池需要高效稳定的钴-free氧电催化剂。本文通过Zn2+掺杂SmBaFe?O?+δ电极，诱导晶格畸变和Fe3+自旋态从高自旋向低自旋转变，增强Fe-O共价性、氧空位有序排列及质子 hydration效率，使氧还原/析出动力学显著提升。Zn改性SBF电极在700℃时达到0.95 W cm?2峰值功率密度和1.69 A cm?2电流密度，兼具长寿命和抗Cr?+腐蚀性能。DFT计算证实Zn掺杂降低反应能垒，验证自旋态工程在开发高性能钴-free氧电极中的有效性。

　　

摘要

可逆质子传导固体氧化物电池（R-PSOCs）需要具备高活性与低成本兼备的双功能氧电催化剂。本文报道了一种新型策略，通过向SmBaFe₂O_5+δ（SBF）中引入Zn²⁺来提升无钴Fe基电极的催化性能。这种引入导致晶格畸变，并促使Fe³⁺从高自旋态转变为低自旋态。这种由畸变驱动的自旋态调控增强了Fe–O共价键，促进了氧空位的有序排列，并提高了质子的水合能力，从而显著改善了氧的还原和析出反应动力学。经过优化的Zn修饰SBF电极在700°C时，在PCFC模式下可实现0.95 W cm^?2的峰值功率密度，在PCEC模式下可实现1.69 A cm^?2的电流密度，且在100小时的循环测试中表现出优异的耐久性和抗铬性能。密度泛函理论（DFT）计算证实，Zn诱导的自旋态转变降低了反应能量障碍，确保了高效的双功能催化作用。这些发现表明，自旋态工程是一种强大且经济高效的方法，可用于设计高性能、无钴的Fe基空气电极，为下一代R-PSOCs提供了可扩展的解决方案。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

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