机器学习指导的高熵双钙钛矿氧化物通用空气/蒸汽电极的理性设计与性能优化

为解决固体氧化物电化学电池(SOCs)中空气/蒸汽电极性能受限的难题，研究人员通过机器学习(ML)筛选化学描述符，设计出高熵双钙钛矿氧化物Ba0.9 Cs0.1 (Ca0.2 Gd0.2 La0.2 Pr0.2 Sr0.2 )Co1.5 Fe0.5 O6 (CsBaHEO)。该材料在氧离子传导型SOCs和质子传导型陶瓷电池(PCCs)中均表现出卓越的氧还原(ORR)/氧析出(OER)双功能活性，功率密度达1018 mW?cm-2 （600°C），为下一代能源转换器件提供了通用电极解决方案。

　　

随着全球能源结构转型，固体氧化物电化学电池(SOCs)因其高效的能量转换能力成为研究热点。然而，传统SOCs面临两大技术瓶颈：一是工作温度需高达650-850°C，导致材料老化和系统成本上升；二是关键部件空气/蒸汽电极需同时催化氧还原(ORR)和氧析出(OER)反应，但现有材料难以兼顾活性与稳定性。更棘手的是，新兴的质子传导陶瓷电池(PCCs)虽将工作温度降至400-650°C，却因反应机制差异需要开发全新电极体系。这种"温度-材料-机制"的三重矛盾，严重制约了SOCs技术的商业化进程。

为破解这一难题，国外研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表了一项突破性研究。他们创新性地将高熵设计理念与机器学习相结合，通过高通量筛选34种高熵双钙钛矿氧化物(AA’B₂
O₆
)，最终开发出可同时适配氧离子传导SOCs和质子传导PCCs的通用电极材料CsBaHEO。研究采用EDTA-柠檬酸溶胶凝胶法合成材料，通过对称电池电化学阻抗谱(EIS)评估性能，结合分布弛豫时间(DRT)解析反应动力学过程，并利用X射线光电子能谱(XPS)和X射线吸收谱(XAS)等表征手段揭示Cs掺杂对材料电子结构的调控机制。

结构分析揭示高熵稳定效应
XRD和TEM证实，五元A'位(Ca/Gd/La/Pr/Sr)高熵设计使BaHEO在900°C即可形成单相，而传统单组分材料BPCF需更高温度。Cs掺杂进一步扩大晶格间距至2.48 ?，EDS图谱显示元素分布均匀性，为高催化活性奠定结构基础。

机器学习指导材料设计
通过梯度提升回归(GBR)等6种ML模型分析34种组分的面积比电阻(ASR)，发现A位离子半径(r_A
)是最关键描述符。符号回归(SR)推导出经验公式"0.081-0.182r_A
'"，指导后续Cs掺杂策略——Cs⁺
的较大半径(1.88 ? vs Ba²⁺
1.61 ?)使CsBaHEO的ASR降至0.384 Ω?cm²
(600°C)，较未掺杂材料降低10%。

Cs掺杂增强反应动力学
4探针测试显示CsBaHEO电导率提升5%，TGA和碘量法定量证实其氧空位浓度更高。ECR测试表明表面交换系数(k_chem
)提升6倍，XPS显示Co/Fe价态升高(Co^3.13+
→Co^3.46+
)，XAS的O K边谱中t_2g
/e_g
峰强度降低，共同证实Cs掺杂促进了电荷转移和氧空位形成。

跨体系电化学性能验证
在氧离子传导SOC中，CsBaHEO电极使800°C功率密度达996 mW?cm^-2
，电解电流密度-1107 mA?cm^-2
(1.6V)。更令人瞩目的是，在质子传导PCC中性能进一步提升：650°C时功率密度1280 mW?cm^-2
，电解电流密度-1977 mA?cm^-2
(1.3V)，且500小时耐久测试中电解模式衰减率仅0.89% khr^-1
。

规模化应用示范
4.5 cm²
管式PCC在600°C实现21.31 ml?min^-1
的氢产率，为文献报道同类器件的最高水平之一。热膨胀系数(15×10^-6
K^-1
)与电解质良好匹配，解决了传统电极因热失配导致的界面剥离问题。

这项研究通过"高熵设计-ML筛选-精准掺杂"的三步策略，首次实现了单一电极材料在两种不同离子传导机制电池中的通用化应用。CsBaHEO展现的"一材双用"特性，不仅简化了电池系统设计，其低制备温度(900°C vs 传统>1000°C)和优异耐久性更