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质子陶瓷电化学电池（PCECs）在中低温下有应用潜力，但面临电极活性和耐久性问题。研究人员开发纳米结构超多孔（NAUP）电极，该电极提升了 PCECs 性能，在燃料电池和电解模式下表现优异，为其应用提供了新方向。
在能源领域，高效且可持续的能量转换与存储技术一直是研究热点。高温固体氧化物电池（SOCs）虽有高能量效率，可用于可逆燃料电池和电解应用，但高运行温度带来诸多挑战，如快速降解、高成本和热不兼容性等。质子陶瓷电化学电池（PCECs）则有望解决这些问题，它能在较低温度（350 - 500°C）下运行，凭借高质子传导率的电解质、更好的材料兼容性和有利的电极反应动力学，展现出高能量效率、可靠性能和成本效益，适用于发电和制氢。
然而，PCEC 也面临技术难题。随着运行温度降低，需要氧电极具备快速反应活性以降低电极极化电阻，这对促进电化学反尤其在高电流密度和蒸汽浓度下至关重要。同时，其耐久性也依赖于快速的动力学反应、有效的电荷和质量转移以及可靠的界面结合。传统电极结构存在不足，如由烧结规则形状颗粒制成的电极，随机堆叠形成的结构并非最优，且热处理后电极颗粒与电解质膜的界面结合受接触面积限制，影响长期稳定性和界面极化电阻。
为应对这些挑战，美国俄克拉荷马大学、爱达荷国家实验室和犹他大学的研究人员开展了相关研究。他们开发了一种纳米纤维结构的超多孔（NAUP）电极，该电极集成了超细纳米颗粒和空心气体通道，结合三导电成分的独特性质，能同时传导质子、氧离子和电子。研究成果发表在《Nature Communications》上，为 PCEC 的发展带来新突破。
在研究方法上，主要采用了以下关键技术：一是模板辅助自组装法制备电极，以天然棉网为模板，浸入三导电的PrNi0.7Co0.3O3?δ（PNC73）酒精溶液，经浸泡、烧结等步骤制成电极；二是多种材料表征技术，如扫描电子显微镜（SEM）观察电极形貌，能量色散 X 射线光谱（EDS）映射分析元素分布，透射电子显微镜（TEM）研究微观结构和晶体结构，X 射线衍射（XRD）分析晶体相；三是电化学测试技术，通过测量阻抗谱、极化曲线等评估电池性能，利用分布弛豫时间（DRT）分析和阿伦尼乌斯方程研究电极过程和活化能。
研究结果如下：
- 自组装 NAUP 电极结构的形成：利用天然棉网模板，成功制备出 NAUP - PNC73 电极。SEM 和 EDS 结果显示，该电极具有合适的孔隙率（约 50%）、均匀的元素分布和纳米级颗粒尺寸（小于 400nm），有利于提高氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的活性。TEM 进一步证实了其微观结构和晶体结构的特征。
- 扩大的双传输路径和增强的界面结合对降低极化电阻的协同效应：通过阻抗谱分析发现，与传统粉末填充 PNC73 电极相比，NAUP 电极的欧姆电阻（Ro）和极化电阻（Rp）显著降低。DRT 分析表明，NAUP 电极在不同频率区域的阻抗弧强度更小，意味着质量传输、氧表面交换和电荷转移得到增强。同时，NAUP 电极的活化能降低，这得益于其纳米级结构和优化的孔隙率。
- 在燃料电池和蒸汽电解模式下的卓越电化学性能：NAUP - PNC 全电池在燃料电池和电解模式下均表现出色。在燃料电池模式下，600°C 时峰值功率密度达到1.50Wcm?2，相比传统粉末填充 PNC 全电池提升了 58%。在电解模式下，600°C、1.60V 时电流密度达到5.04Acm?2，比传统 PNC 电池提高了 150%。此外，改变蒸汽和氧分压的实验表明，NAUP 电极对这些参数变化具有良好的适应性。
- 在各种降解测量中的电化学性能耐久性：经过多种耐久性测试，如长期稳定性测试、可逆测试和瞬态测试，NAUP - PNC 全电池表现出高稳定性和可靠性。在长期测试中，电流密度降解率低；在可逆测试中，能迅速响应电压变化；在瞬态测试中，尽管高过电位对电极有轻微损伤，但仍能保持可靠的电流密度响应。
- NAUP 电极在热循环中的结构弹性：研究发现，NAUP - PNC 全电池在热循环中表现出良好的稳定性，600°C 时经过四个循环，电解模式下电流密度降解仅 1.12%，燃料电池模式下为 1.76%。阻抗谱显示，热循环导致极化电阻有所增加，但欧姆电阻基本不变。
研究结论和讨论部分指出，将纳米结构电极应用于 PCECs 对提高其电化学性能至关重要。NAUP 结构解决了合成复杂性、孔隙率损失、结构不稳定性和界面结合等问题，同时提高了活性和耐久性。该电极降低了欧姆电阻和极化电阻，提升了燃料电池模式下的峰值功率密度和电解模式下的电流密度，并且对湿度和气体条件有良好的耐受性。此外，NAUP - PNC 电极与电解质之间增强的界面结合保证了电池在瞬态循环和长期测试中的稳健性，良好的热稳定性使其适用于实际电池运行条件。总之，该研究为质子陶瓷电化学电池的发展提供了新的方向，有望推动其在能源领域的广泛应用。
