高性能 BaCo0.4Fe0.4M0.1Y0.1O3-δ（M=Mg，Zr）质子陶瓷燃料电池正极氧还原动力学研究：开启高效能源新征程

研究人员为降低质子陶瓷燃料电池（PCFCs）工作温度，对比研究 BCFMY 和 BCFZY 正极，发现 BCFMY 性能更优。

　　在能源领域，质子陶瓷燃料电池（PCFCs）就像一颗潜力无限的 “能量之星”，备受科研人员的关注。它有望在 600°C 的中温环境下，成为高效的发电系统，能量转换效率远超传统设备。这是因为钙钛矿 AB_1-xB'_xO_3-δ（A=Ba，Sr，Ca；B=Ce，Zr；B'=Y，Yb）电解质的离子电导率比固体氧化物燃料电池（SOFCs）常用的氧化锆基电解质更高。

然而，这颗 “能量之星” 也面临着一些挑战。在高于 600°C 且氧气分压较高的情况下，PCFCs 的电解质中会同时传导质子、氧离子和空穴，导致质子迁移数小于 1。这就好比在一条道路上，多种车辆（质子、氧离子和空穴）同时行驶，造成了交通拥堵（电流泄漏）。在开路状态下，氢气会被消耗，还会出现活化极化电阻，最终导致发电效率下降。为了让 PCFCs 更好地发挥作用，降低其工作温度迫在眉睫。这样不仅能减少对昂贵耐热材料的需求，降低成本，还能提高其性能。而开发新型的正极（空气电极）材料，成为了解决这一问题的关键，因为氧还原反应是 PCFCs 的速率决定过程。

在这样的背景下，日本国立先进工业科学技术研究院（AIST）和名古屋工业大学的研究人员展开了一项重要的研究。他们将 BaCo_0.4Fe_0.4Mg_0.1Y_0.1O_3-δ（BCFMY）与 BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1O_3-δ（BCFZY）作为 SOFCs 和 PCFCs 的正极材料进行对比研究。该研究成果发表在《Communications Chemistry》上，为 PCFCs 的发展带来了新的希望。

研究人员在研究过程中，运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，采用 Pechini 法制备 BCFMY 和 BCFZY 粉末，通过同步辐射 X 射线衍射、能量色散 X 射线光谱（EDS）和热重分析（TG）对材料的晶体结构、成分和氧非化学计量比（δ）进行评估。在电化学性能测试上，利用电位 / 恒电流仪与频率响应分析仪记录电流 - 电压特性和电化学阻抗谱（EIS），并通过分布弛豫时间（DRT）分析和复非线性最小二乘法（CNLS）拟合对 EIS 数据进行处理。

下面来看具体的研究结果：

1. 使用 BCFMY 和 BCFZY 正极的 SOFCs：研究人员通过扫描电子显微镜观察了 SOFCs 的横截面图像，测试了不同氧气浓度下的电流 - 电压和功率密度特性。结果发现，BCFMY 正极的 SOFCs 开路电压（V_OCV）与 BCFZY 正极的相近，但最大功率密度（P_max）在所有条件下都更高。通过阻抗谱分析，发现总极化电阻（R_p）随氧气浓度降低而增加，且 BCFMY 正极在约 100Hz 处与氧表面交换和扩散过程相关的极化电阻更小。对阻抗谱进行 DRT 分析后，识别出五个 DRT 峰，其中与氧表面交换和扩散过程相关的 P₄峰，BCFMY 正极的比 BCFZY 正极的更小。研究还发现，与氧表面交换和扩散过程相关的极化电阻（R₄）随氧气分压的变化斜率约为 -0.25，表明在 SOFCs 中，速率决定过程是混合离子电子导体整个表面上的电荷转移。
2. 使用 BCFMY 和 BCFZY 正极的 PCFCs：同样地，研究人员对 PCFCs 进行了扫描电子显微镜观察，测试了不同氧气浓度下的电流 - 电压和功率密度特性。结果显示，BCFMY 正极的 PCFCs 的 P_max在所有条件下都高于 BCFZY 正极的，在 600°C、97% O₂-3%H₂O 环境下，BCFMY 正极的 P_max达到 1.01W/cm²，是相同条件下 SOFCs 的 5.7 倍。通过阻抗谱分析，发现欧姆电阻（R₀）和 R_p都随氧气浓度降低而增加，且 BCFMY 正极的 R₀和 R_p都比 BCFZY 正极的小。对阻抗谱进行 DRT 分析后，识别出五个 DRT 峰，BCFMY 正极的 P₄和 P₅峰比 BCFZY 正极的更小。研究还发现，与氧表面交换和扩散过程相关的极化电阻（R₄）随氧气分压的变化斜率约为 -0.5，表明在 PCFCs 中，速率决定过程是正极表面的氧解离。

综合研究结论和讨论部分，BCFMY 在作为 SOFCs 和 PCFCs 的正极材料时，表现出比 BCFZY 更优异的性能。在两种电池中，BCFMY 正极较低的极化电阻（约 100Hz 处，与氧表面交换和扩散过程相关）使其性能更优。对于 SOFCs，其相关电阻与 P_O2^-1/4成正比，速率决定过程是电荷转移；对于 PCFCs，BCFMY 正极在 600°C、97% O₂-3%H₂O 环境下的最大功率密度高达 1.01W/cm²，相关电阻与 P_O2^-1/2成正比，速率决定过程是氧解离。而且，BCFMY 的总极化电阻在 600°C、21% O₂-3%H₂O-N₂环境下仅为 0.066Ω?cm²，这表明它是 PCFCs 正极材料中极具潜力的候选者。该研究为 PCFCs 的发展提供了重要的理论依据和材料选择方向，有助于推动 PCFCs 在能源领域的广泛应用，让这颗 “能量之星” 更加闪耀。