《International Journal of Hydrogen Energy》：Exceptional cathodic performance of nanostructured La–Sr–Co–Fe–O highly dispersed in porous yttria-stabilized zirconia frameworks for intermediate-temperature solid oxide fuel cells
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采用超声喷雾浸渍法在微孔YSZ支架上制备了高分散的La?·?Sr?·?Co?·?Fe?·?O?（LSCF）纳米颗粒复合阴极，优化浸渍循环次数为8次（烧结800°C），实现电子-离子混合传导与高效氧还原反应动力学协同，对称电池在700°C时面积比电阻0.047Ω·cm2，金属支撑燃料电池峰值功率密度达0.42W·cm2，显著优于传统丝网印刷工艺。
普里蒂·苏达桑（Preethi Sudarsan）|崔哲钟（Chel-Jong Choi）|朴希贞（Hee Jung Park）
韩国全罗南道天安市丹代路119号， Dankook大学材料科学与工程系，邮编31116
摘要
提高中温固体氧化物燃料电池（SOFC）的阴极性能需要通过优化复合阴极中的界面来增强氧还原反应的动力学。在本研究中，使用超声喷雾渗透法制备了一种纳米结构的La0·6Sr0·4Co0·2Fe0·8O3（LSCF）阴极，该阴极高度分散在氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）支架中。为了优化纳米颗粒的浓度，分别进行了2次、6次、8次和10次的渗透处理，随后在800°C下进行低温烧结。微观结构分析表明，8次渗透处理后获得了最均匀的分布，形成了电子传导所需的相互连接的LSCF颗粒。过度渗透会导致纳米颗粒聚集并从支架上脱落。在对称电池上进行的电化学研究表明，经过8次渗透处理后，在700°C时的面积比电阻为0.047 Ω cm2，优于传统的丝网印刷阴极。这种优化后的阴极进一步在Ni–Fe金属支撑的电池上进行了燃料电池性能测试，在700°C时实现了约0.42 W/cm2的峰值功率密度。因此，本研究阐明了LSCF纳米颗粒渗透技术在低温下制备高性能阴极的潜力，从而推动了SOFC技术的发展。
引言
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种有前景的能源生成装置，能够将燃料的化学能直接高效地转化为电能[[1], [2], [3]]。这些电池的效率在很大程度上取决于阴极处发生的氧还原反应（ORR）[4]。先进的阴极材料包括钙钛矿氧化物，如La0·8Sr0·2MnO3（LSM）和La0·6Sr0·4Co0·2Fe0·8O3（LSCF）[5,6]。LSM在约1000°C的高温下表现出优异的性能，但在中等温度下缺乏最佳的离子导电性。相比之下，LSCF具有混合离子-电子传导（MIEC）特性，并且在中等温度下具有比LSM更强的催化活性，使其成为降低工作温度的有希望的候选材料。已有文献证明，将MIEC与离子导电电解质材料复合可以显著提高ORR的动力学[7]。
尽管LSCF具有这些优势，但在高温下容易发生锶（Sr）的偏聚，由于其与氧化锆（ZrO3）的反应，会形成绝缘层[8]。这种反应会阻碍界面电化学过程的动力学，从而增加极化电阻。为了解决这个问题，研究人员经常使用掺钆或钐的氧化铈（GDC或SDC）作为扩散阻挡层来防止化学相互作用。然而，在电解质和阴极之间插入氧化铈层从概念上引入了另一层固体电解质，这不可避免地会增加欧姆电阻。此外，形成致密且薄的氧化铈层具有挑战性，因为氧化铈层必须足够致密以防止LSCF中的锶蒸气与氧化锆发生反应[[9], [10], [11], [12]]。
为了解决这些挑战，提出了诸如化学气相沉积（CVD）[13]、喷雾热解[14]、电纺[15]、溶液渗透[16]等表面工程技术作为有效的制备策略。这些方法可以通过均匀沉积高表面积的纳米颗粒来增强三相边界（TPB，即氧气气体、离子导体和电子导体相遇的界面），从而增加反应位点并扩展TPB网络。在这些技术中，CVD是一个复杂的高真空和高温过程，无法实现预期目标。相比之下，溶液渗透技术因其简单性、可扩展性和对阴极性能的显著改善而受到广泛青睐。渗透过程主要涉及将纳米级的MIEC材料沉积到优化的多孔离子导电支架中，通常是电解质材料，这可以消除热膨胀系数不匹配的问题。这种方法确保了支架提供的机械稳定性。在溶液渗透过程中，通过沉积硝酸盐前驱体原位形成纳米颗粒，从而可以在较低的烧结温度下进行制备。这种方法有助于减少锶（Sr）的偏聚，并减轻锶与锆（Zr）之间的化学反应。此外，它还减少了复合阴极中的电子导电材料含量，从而降低了极化电阻，优于传统技术。渗透处理可以产生不同的形态，如分散颗粒、渗透颗粒或连续薄膜涂层，这些形态会影响TPB的密度和ORR活性。
实验部分
使用带状铸造、辊压层压和共烧技术制备了电解质支撑的对称电池，以测量阴极的面积比电阻（ASR）。通过带状铸造法制备了两种类型的YSZ（Zr0·92Y0·08O2-δ）带材，一种含有成孔剂（YSZ支架），另一种不含（YSZ电解质），所用材料包括YSZ粉末（Tosoh，日本）、乙醇作为溶剂、邻苯二甲酸二辛酯作为增塑剂、聚乙烯醇缩丁醛作为粘合剂、商业分散剂（BYK，德国）和PMMA（Sunjin Chemicals，韩国）作为成孔剂
结果与讨论
图2a显示了原始YSZ支架和经过2次、6次、8次、10次超声喷雾渗透处理后的LSCF渗透YSZ在室温下的XRD图谱，所有样品均在800°C下烧结。作为对比参考，还包括了丝网印刷在YSZ支架上的LSCF-YSZ。所有样品中的YSZ衍射峰（标记为?）保持一致，证实了支架的结构完整性。LSCF的形成通过与JCPDS图谱匹配的峰（标记为●）得到确认
结论
本研究展示了通过超声喷雾沉积成功制备了适用于中温固体氧化物燃料电池的高性能LSCF-YSZ阴极。多孔YSZ在多次超声渗透循环后被LSCF硝酸盐溶液渗透。经过8次LSCF渗透处理后，对称电池在800°C时的面积比电阻为0.016 Ω cm2，在700°C时为0.047 Ω cm2，表现出优异的电化学性能
CRediT作者贡献声明
普里蒂·苏达桑（Preethi Sudarsan）：撰写初稿、进行实验研究、进行正式分析、数据整理。
崔哲钟（Chel-Jong Choi）：进行实验研究。
朴希贞（Hee Jung Park）：撰写论文、进行审稿和编辑工作、监督项目、提出概念。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金由韩国政府（科学技术信息通信部（MSIT）提供（项目编号：RS-2023-00236572）。此外，本研究还得到了韩国基础科学研究所（国家研究设施与设备中心）的资助（项目编号：RS-2024-00436672），该资助由韩国教育部提供。
