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为解决中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFCs）阴极氧还原反应（ORR）活性不足问题，研究人员开展氟（F-）掺杂 BaCe0.3Fe0.7O3-δ（BCF30）阴极的研究。发现 F-掺杂提升氧空位浓度，600℃时功率密度达 1018 mW cm-2，极化电阻 0.178 Ω cm2，为高性能阴极开发提供新策略。
在能源短缺与环境污染的双重压力下，开发高效清洁的能源转换技术成为全球焦点。固体氧化物燃料电池（SOFCs）因高能量转换效率和环境友好性，被视为下一代能源系统的核心技术。然而，传统 SOFCs 的高温运行（800-1000℃）带来界面相容性差、长期稳定性不足及成本高等难题，促使研究转向中低温质子传导型 SOFCs（H-SOFCs）。但低温下氧扩散动力学迟缓、极化电阻显著增加，导致阴极氧还原反应（ORR）活性大幅下降，成为制约 H-SOFCs 性能提升的关键瓶颈。
为突破这一困境，国内研究团队针对无钴三导电钙钛矿阴极材料 BaCe0.3Fe0.7O3-δ（BCF30）展开创新研究，首次将氟离子（F-）引入其氧位点，探索阴离子掺杂对阴极性能的调控机制。该研究成果发表于《Fuel》，为开发高活性、长寿命的 H-SOFCs 阴极材料提供了新方向。
研究人员采用柠檬酸 - 硝酸盐凝胶燃烧法合成了系列 F-掺杂的 BaCe0.3Fe0.7O3-x-δFx（x=0, 0.025, 0.05, 0.075）粉末。通过 X 射线衍射（XRD）分析材料晶体结构，利用电化学阻抗谱（EIS）和燃料电池测试系统评估极化电阻与功率密度，并结合理论计算探究氟掺杂对氧空位浓度、金属 - 氧键能及离子传输特性的影响。
分析组成与结构
XRD 结果表明，F-掺杂未改变 BCF30 的晶格结构，样品同时存在立方钙钛矿（CP）和正交钙钛矿（OP）相。其中，OP 相促进质子传导，CP 相支持电子传导，双相结构为离子与电子的高效传输提供了基础。随着 F-掺杂量增加，晶格参数略有变化，反映出 F-成功嵌入氧位点，形成氧空位（VO••）。
电化学性能评估
在 600℃测试条件下，当 x=0.05 时（BCFF05 阴极），燃料电池展现出最优性能：峰值功率密度达 1018 mW cm-2，极化电阻低至 0.178 Ω cm2，较未掺杂样品提升显著。进一步研究发现，F-掺杂通过增强氧空位浓度（由 X 射线光电子能谱（XPS）验证），削弱 B 位金属离子与氧离子的库仑力，降低金属 - 氧键能，从而加速体相氧扩散和表面交换动力学，显著提升 ORR 活性。
稳定性验证
长期恒电位测试显示，BCFF05 阴极在 600℃下运行 50 小时后，极化电阻仅轻微增加，结构保持稳定，表明 F-掺杂有效抑制了钙钛矿相的分解和元素挥发，提升了材料的环境适应性。
研究结论表明，氟掺杂策略通过引入额外氧空位、优化电子结构和离子传输路径，协同增强了 BCF30 阴极的 ORR 活性与稳定性。这一发现不仅揭示了阴离子掺杂在钙钛矿材料中的调控机制，更为无钴阴极材料的设计提供了新范式，有望推动 H-SOFCs 在分布式发电、交通电源等领域的实际应用。未来研究可进一步探索掺杂比例与多元素协同掺杂的优化，以实现更高性能的电化学界面调控。
