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为解决 SOFCs 商业化中阴极材料催化活性与耐久性问题，研究人员设计新型高熵双钙钛矿氧化物 PNBSCMO（Pr?.?Nd?.?Ba?.?Sr?.?Ca?.?Mn?O?+δ）。其在 800℃时极化电阻低至 0.07 Ω?cm?2，性能优于 PBMO，为 SOFCs 阴极材料开发提供新方向。
研究背景与意义
在化石能源日益枯竭、环境问题愈发严峻的当下，清洁高效的能源转换技术成为全球关注焦点。固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs）凭借高能量转换效率、燃料适应性广及无贵金属依赖等优势，被视为解决能源危机与环境污染的重要方案。然而，其商业化进程受限于较高的工作温度（通常高于 800℃），不仅增加了系统成本与材料耐久性挑战，还导致能量损耗显著。
降低 SOFCs 工作温度至中低温区间（600-800℃甚至更低）是当前研究的核心目标，而阴极材料的性能是关键瓶颈。阴极处的氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction, ORR）在中低温下动力学迟缓、活化能高，导致电池极化损耗增大，功率输出受限。传统锰基双钙钛矿材料如 PrBaMn?O?+δ（PBMO）虽具备低膨胀系数和结构稳定性，但催化活性不足；钴基材料则面临成本高、化学稳定性差等问题。因此，开发兼具高催化活性、稳定性及抗 CO?能力的新型阴极材料迫在眉睫。
在此背景下，渤海大学的研究团队聚焦高熵材料的独特优势，开展了新型高熵双钙钛矿氧化物作为 SOFCs 阴极材料的研究。相关成果发表于《Fuel》，为 SOFCs 阴极材料的设计提供了新思路。
主要研究方法
研究采用溶胶 - 凝胶法合成高熵双钙钛矿氧化物 Pr?.?Nd?.?Ba?.?Sr?.?Ca?.?Mn?O?+δ（PNBSCMO）。通过 X 射线衍射（XRD）分析材料晶体结构，利用电化学工作站测试极化电阻（Rp）与功率密度，借助热膨胀系数（TEC）测量仪评估热稳定性，并通过 X 射线光电子能谱（XPS）分析元素价态与氧空位浓度。以 PBMO 为对照，系统对比两者的电化学性能、导电率及抗 CO?能力。
研究结果
材料结构表征
XRD 结果显示，PNBSCMO 与 PBMO 均呈现四方双钙钛矿结构。与 PBMO 相比，PNBSCMO 的衍射峰向低角度偏移，表明 A 位掺杂 Nd3?、Sr2?、Ca2?导致晶格常数增大，印证了高熵效应引起的晶格畸变。
电化学性能评估
在 800℃时，PNBSCMO 的极化电阻（Rp）为 0.07 Ω?cm?2，较 PBMO 降低 36.36%，显示出更优的 ORR 催化活性。基于 PNBSCMO 的单电池峰值功率密度达 0.83 W?cm?2，显著高于对照材料，表明其在中温下具备高效的能量转换能力。
导电率与热稳定性
PNBSCMO 的电导率在 122.1-124.5 S?cm?1 之间，满足阴极材料的导电需求。其热膨胀系数（TEC）为 10.4×10?? K?1，与电解质 Gd?.?Ce?.?O?-δ（GDC）匹配良好，保证了电池组件的结构相容性。
CO?耐受性测试
实验表明，PNBSCMO 在含 CO?气氛中表现出优异的稳定性，极化电阻未出现显著增长，而 PBMO 在相同条件下性能下降明显。这归因于高熵效应引入的多元金属协同作用，增强了材料抗碳酸盐形成能力。
研究结论与讨论
本研究成功设计并合成了 A 位高熵双钙钛矿氧化物 PNBSCMO，其通过稀土元素与碱土金属的 “鸡尾酒效应”，整合了多元组分优势：高熵引起的晶格无序化优化了氧空位浓度与表面反应活性，多元金属离子（Pr3?、Nd3?、Ba2?等）协同提升了电子传导与结构稳定性。
与传统 PBMO 相比，PNBSCMO 在 ORR 催化活性、导电率、热稳定性及抗 CO?性能上均实现突破，为解决 SOFCs 中低温下阴极动力学瓶颈提供了新策略。高熵材料的设计理念为开发兼具高性能与稳定性的能源材料开辟了新路径，有望推动 SOFCs 向商业化应用迈进。未来研究可进一步探索 B 位元素掺杂对离子传输路径的调控，以进一步提升材料性能。
