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为解决固体氧化物燃料电池（SOFCs）阳极问题，研究人员开展 Pd 掺杂 PrBaFe?O??δ 研究，提升其性能，意义重大。
在当今追求可持续能源的时代，固体氧化物燃料电池（SOFCs）就像一颗闪耀的新星，备受瞩目。它被视为实现低排放发电的 “潜力股”，能直接利用甲烷、乙烷等多种碳氢化合物（HCs）作为燃料，这可不得了，意味着它无需像聚合物交换膜燃料电池（PEMFCs）那样，为氢气的储存和运输而大费周章，也不用依赖复杂的外部重整器。
然而，SOFCs 想要 “大展拳脚”，还面临着重重阻碍。用 HCs 燃料时，为了防止阳极积碳，往往需要高的蒸汽碳比（S/C>2），这不仅让系统变得庞大复杂，还得精确控制，成本蹭蹭上涨。要是降低 S/C 比，传统的镍基阳极又容易因烃类裂解而严重积碳，导致性能 “大打折扣”。为了攻克这些难题，寻找合适的阳极材料迫在眉睫。
在这个关键时刻，研究人员挺身而出。他们来自多个机构，致力于解决 SOFCs 阳极材料的问题。此次研究聚焦于钯（Pd）掺杂的 PrBaFe?O??δ（PBF）阳极材料，旨在提升其在氢气和乙烷燃料下的性能，为 SOFCs 的发展开辟新道路。该研究成果发表在《Advances in Applied Energy》上。
研究人员为了深入探究这种材料，采用了多种关键技术方法。通过 EDTA - 柠檬酸燃烧技术制备了 PrBaFe?.?Pd?.?O??δ（PBFPd?.?）等材料粉末；运用 X 射线衍射（XRD）、氢气程序升温还原（H? - TPR）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等多种表征手段，对材料的结构、形貌、元素分布等进行分析；利用第一性原理计算（DFT）从理论层面研究材料的电子结构和吸附性能；还通过电化学工作站进行电化学阻抗谱（EIS）测试、电流 - 功率密度（I - P）和电流 - 电压（I - V）曲线测试，评估电池的电化学性能 。
下面来看看具体的研究结果：
- 结构与形貌分析：XRD 分析表明，Pd 成功掺入 PBF 晶格，形成单相立方对称钙钛矿结构。随着 Pd 含量增加，晶格发生膨胀。H? - TPR 显示，Pd 掺杂降低了 Fe 的还原温度，这得益于 Pd 促进了氧空位（V?）的形成。SEM 和 TEM 分析发现，还原后 PBFPd?.?粉末表面变得粗糙，有 Pd 纳米颗粒析出，比表面积显著增加，且 Pd 均匀分散在 PBF 颗粒周围，这些变化都有利于提升材料的催化性能。
- 电子结构研究：通过 X 射线吸收近边结构（XANES）测量，发现 Pd 掺杂增强了 Fe 离子从高价态到低价态的还原，改变了材料的电子结构，使电子转移更容易发生。同时，Pd 掺杂显著提高了材料的电导率，在氢气氛围中，PBFPd?.?的电导率表现尤为突出，这为电荷转移提供了便利，促进了燃料的电化学氧化过程。
- 吸附性能与反应机理：计算结果显示，Pd 簇修饰的 PBF（Pd@PBF）对乙烷的吸附能力远强于 PBF，吸附能分别为 - 0.77 eV 和 - 0.14 eV。从态密度（DOS）分析可知，Pd 的存在使 Pd@PBF 在费米能级附近的轨道贡献更丰富，电荷载流子浓度更高，导电性增强。此外，研究还揭示了表面的 Lewis 酸（钙钛矿氧化物）和 Lewis 碱（析出金属）协同作用，促进了乙烷的脱氢过程。
- 电化学性能评估：电化学测试表明，Pd 掺杂显著提升了电池的电化学性能。在 800°C 时，PBFPd?.?阳极的单电池在氢气和乙烷燃料下，峰值功率密度（PPD）分别达到 701.6 mW/cm2 和 377.2 mW/cm2 ，明显优于未掺杂的 PBF。同时，PBFPd?.?的面积比电阻（ASR）最小，气体扩散和表面、体相扩散过程得到增强。与其他材料相比，PBFPd?.?在不同温度和燃料氛围下都展现出优异的性能。
- 成本与稳定性分析：成本计算发现，PBFPd?.?材料成本适中，与一些非贵金属材料相当，在性能和成本之间达到了较好的平衡。稳定性测试显示，配备 PBFPd?.? - SDC 阳极的电池在氢气和湿乙烷氛围中都表现出良好的稳定性。不过，长期放电后，由于碳沉积，Pd 纳米颗粒会发生粗化现象，但 PBFPd?.? - SDC 阳极的抗积碳性能仍优于其他阳极，其相结构也更稳定。
综合研究结论和讨论部分，此次研究意义非凡。钯掺杂的 PBF 阳极在低湿度条件下，对氢气和乙烷燃料展现出卓越的电化学性能和化学稳定性，尤其是 PBFPd?.?阳极表现最佳，这使其成为极具潜力的无镍阳极材料，有望解决传统镍基阳极的积碳和高 S/C 比问题，推动更高效、低排放的 SOFC 系统的设计与发展。尽管钯的高成本和稀缺性对大规模应用有一定限制，但可通过降低掺杂水平或寻找替代材料来解决。未来，提高抗积碳纳米颗粒的覆盖密度仍是研究的重点方向。这项研究为先进 SOFC 阳极材料的开发提供了新的思路和方向，对推动清洁能源的发展具有重要意义。
