增强固态氧化物燃料电池 Sr1.9Fe1.5Mo0.5O6–δ电极纳米颗粒稳定性：氧化镨渗透表面保护层策略

为解决固态氧化物燃料电池（SOFCs）阳极陶瓷电极纳米颗粒团聚导致的性能衰减问题，研究人员针对 A 位缺陷 Sr1.9Fe1.5Mo0.5O6–δ（SFM）开展氧化镨（Pr6O11）渗透研究。结果表明，渗透形成的镨铁酸盐保护层可稳定析出 Fe 纳米颗粒，降低极化电阻，提升电极稳定性，为 SOFCs 长寿命电极设计提供新策略。

　　

固态氧化物燃料电池电极稳定性提升新路径：氧化镨渗透策略的突破性探索

在能源危机与环境治理双重压力下，固态氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs）因其高效清洁的能量转换特性，成为全球能源领域的研究焦点。这类装置通过电化学反应将燃料化学能直接转化为电能，理论能量转换效率超过 80%，且可兼容氢气、甲烷等多种燃料，被视为未来分布式能源系统的核心技术。然而，制约其商业化进程的关键瓶颈之一，是电极材料在长期运行中的稳定性问题 —— 尤其是阳极陶瓷电极表面析出的纳米颗粒易发生团聚，导致催化活性位点减少、界面接触恶化，最终引发电池性能衰退。例如，传统镍基陶瓷电极（Ni-YSZ）虽具备良好导电性，但高温下镍颗粒团聚严重，且对含硫燃料敏感，限制了其在宽温域和复杂燃料场景中的应用。

针对这一挑战，研究人员将目光投向双钙钛矿氧化物 Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6–δ（SFM）。这类材料凭借独特的晶体结构，在氧化 / 还原气氛中均表现出优异的导电性能与抗积碳能力，但其非化学计量组成（如 A 位锶元素缺陷的 Sr_1.9Fe_1.5Mo_0.5O_6–δ）会导致表面析出铁（Fe）纳米颗粒，长期使用仍面临团聚风险。如何在保留纳米颗粒催化活性的同时抑制其团聚，成为提升 SOFCs 电极耐久性的关键科学问题。

来自相关研究机构的科研团队开展了一项创新性研究，试图通过溶液渗透技术在 SFM 电极表面构建保护层，以解决纳米颗粒稳定性难题。该研究成果发表于国际能源领域权威期刊《Fuel》，为 SOFCs 电极材料的设计提供了全新思路。

关键技术方法

研究采用溶液渗透法对 SFM 电极进行表面改性，核心技术流程如下：

1. SFM 电极制备：通过化学共沉淀法合成 A 位缺陷的 Sr_1.9Fe_1.5Mo_0.5O_6–δ粉末，以乙二胺四乙酸（EDTA）和柠檬酸盐为络合剂，通过调控锶元素比例（1.9 而非理论值 2）诱导表面纳米颗粒析出。
2. 氧化镨（Pr₆O₁₁）渗透：将硝酸镨六水合物（Pr (NO₃)·6H₂O）溶液浸渍于 SFM 电极，经高温热处理（>450℃）使镨离子扩散至电极表面，形成复合氧化物保护层。
3. 结构与性能表征：利用 X 射线衍射（XRD）分析物相组成，通过电化学阻抗谱（EIS）测试电极极化电阻，结合扫描电子显微镜（SEM）观察纳米颗粒形貌演变。

研究结果解析

1. 镨铁酸盐保护层的形成与结构稳定性

XRD 分析表明，氧化镨渗透后，SFM 电极表面形成镨铁酸盐（PrFeO₃）复合相，同时过量的 Pr₆O₁₁还原为低价态 Pr_xO_y，共同构成约 20-50 纳米厚的表面薄膜。该薄膜与 SFM 基体形成紧密界面，未观察到明显晶格失配或杂相生成（如图 1 (a) 所示）。值得注意的是，传统 SFM 材料在潮湿空气中易分解为 SrMoO₄等杂相，而经氧化镨渗透后，电极在湿度环境下的相稳定性显著提升，表明保护层有效隔绝了外界水汽侵蚀。

2. 纳米颗粒稳定性与电极性能优化

电化学测试显示，氧化镨渗透使 SFM 电极的极化电阻（Polarization Resistance, PR）显著降低：在 800℃氢气氛围中，阳极极化电阻从 0.19 Ω?cm²降至 0.10 Ω?cm²，降幅达 47%；阴极极化电阻则从 0.105 Ω?cm²降至 0.021 Ω?cm²，降幅高达 80%。这一性能提升归因于两方面机制：一方面，镨铁酸盐保护层通过强金属 - 载体相互作用（SMSI）锚定表面 Fe 纳米颗粒，抑制其在高温下的迁移团聚；另一方面，氧化镨的高氧离子传导特性（中温区氧扩散系数达 10^-9 cm²/s）加速了界面电荷转移，优化了电化学反应动力学。

3. 长期耐久性验证

在持续 100 小时的恒电流测试中，未渗透的 SFM 电极功率密度衰减率为 0.012 mW?cm^-2/h，而经氧化镨渗透的电极衰减率仅为 0.003 mW?cm^-2/h，显示出显著的抗衰减能力。SEM 图像对比表明，未处理电极表面 Fe 纳米颗粒在测试后平均粒径从 20 纳米增至 50 纳米，而渗透电极的颗粒尺寸保持稳定，证实保护层有效抑制了纳米颗粒的 Ostwald 熟化过程。

研究结论与意义

本研究通过氧化镨渗透策略，在 A 位缺陷 SFM 电极表面构建了兼具稳定性与高导电性的镨铁酸盐保护层，成功解决了纳米颗粒团聚导致的电极性能衰退问题。关键结论包括：

1. 氧化镨渗透诱导形成 PrFeO₃/Pr_xO_y复合薄膜，通过物理阻隔与化学锚定双重机制稳定表面 Fe 纳米颗粒；
2. 该保护层显著降低电极极化电阻，提升功率密度（对称电池最大功率密度从 230 mW?cm^-2提升至 455 mW?cm^-2），并延长使用寿命；
3. 溶液渗透技术兼具工艺简单、成本低廉的优势，适用于规模化制备高性能 SOFCs 电极。

这项工作不仅为双钙钛矿氧化物电极的稳定性优化提供了新范式，也为其他催化体系（如高温电解池、废气处理催化剂）的纳米颗粒稳定化提供了普适性策略。随着后续在多燃料兼容性、涂层均匀性调控等方向的深入研究，氧化镨渗透技术有望推动 SOFCs 向更低成本、更长寿命的商业化目标迈进，为清洁高效能源转换技术的实际应用奠定关键材料基础。