A位缺陷调控LSCFN阴极协同提升GDC基固体氧化物燃料电池的氧还原动力学性能

为解决中温固体氧化物燃料电池(SOFC)氧还原反应(ORR)动力学缓慢的难题，研究人员通过A位缺陷工程策略设计(La0.6 Sr0.4 )x Co0.2 Fe0.7 Nb0.1 O3-δ (LSCFN)系列阴极材料。研究发现x=0.90时，(LS)0.90 CFN在800℃下极化电阻(Rp )低至0.037 Ω·cm2 ，全电池峰值功率密度达1.130 W/cm2 。该工作为缺陷工程优化钙钛矿阴极的氧离子传导与电催化活性提供了新范式。

　　

在全球能源转型的背景下，固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高效、清洁的能源转换特性备受关注。然而传统SOFC需在850℃高温下运行，导致界面退化、热应力匹配困难等问题。将工作温度降至中温区间(600-800℃)虽能缓解这些问题，却面临氧还原反应(ORR)动力学急剧恶化的新挑战——氧气的吸附解离、离子传输等过程均需较高活化能，使得阴极极化电阻(R_p
)显著增加。如何通过材料设计突破中温区ORR动力学瓶颈，成为推动SOFC技术实用化的关键。

针对这一科学难题，吉林大学的研究团队在《Journal of Electroanalytical Chemistry》发表研究，创新性地采用A位缺陷工程策略，设计出(La_0.6
Sr_0.4
)_x
Co_0.2
Fe_0.7
Nb_0.1
O_3-δ
(LSCFN)系列钙钛矿阴极材料，系统揭示了缺陷浓度与GDC基电解质协同作用机制。研究发现当A位缺失10%时，(LS)_0.90
CFN展现出最优异的综合性能：不仅与GDC电解质形成稳定界面，更通过调控氧空位浓度和B位金属氧化态，实现ORR动力学的协同增强。

研究团队主要采用溶胶-凝胶法合成材料，结合X射线衍射(XRD)分析晶体结构，通过电化学阻抗谱(EIS)和弛豫时间分布(DRT)解析电极过程动力学，最终构建Ni-GDC|GDC|(LS)_0.90
CFN全电池验证性能。

表征分析
XRD结果显示所有(LS)_x
CFN样品均形成纯立方钙钛矿相，A位缺失导致晶格收缩，衍射峰向高角度偏移。当x=0.90时材料保持结构稳定性，且与GDC电解质的热膨胀系数最佳匹配。X射线光电子能谱(XPS)证实A位缺陷促使Co/Fe价态升高，同步增加氧空位浓度，形成"电子-离子"协同传输网络。

电化学性能
对称电池测试表明(LS)_0.90
CFN在800℃的R_p
低至0.037 Ω·cm²
，较化学计量比样品降低46%。DRT分析揭示其优化了氧吸附-解离过程，表面氧交换速率提升3倍。全电池测试显示700℃峰值功率密度达1.130 W/cm²
，且连续运行50小时后阻抗仅增加8%，显著优于传统LSCFN阴极。

结论与意义
该研究通过精准调控A位缺陷浓度，首次阐明(La_0.6
Sr_0.4
)_0.90
Co_0.2
Fe_0.7
Nb_0.1
O_3-δ
在中温SOFC中的"缺陷-性能"构效关系：适度A位缺失(10%)通过三方面协同作用：(1)增加氧空位浓度促进体相氧离子扩散；(2)升高B位金属价态增强电子传导；(3)优化DPB(双相边界)反应动力学。这项工作不仅为高性能中温SOFC阴极设计提供新思路，其提出的缺陷协同调控策略对开发其他能源转换材料具有普适性指导价值。