钽掺杂SrSc0.2 Co0.8 O3-δ 钙钛矿阴极材料在中温固体氧化物燃料电池中的性能优化研究

【编辑推荐】为解决SOFCs（固体氧化物燃料电池）阴极材料电催化活性与稳定性难以兼顾的难题，研究人员通过固相合成技术开发了Ta掺杂的SrSc0.2-x Tax Co0.8 O3-δ （SSTCx ）钙钛矿材料。该材料与SDC（Sm0.2 Ce0.8 O1.9 ）电解质兼容，且Ta掺杂使电极极化电阻降低超50%，Ni0.9 Cu0.1 Ox -SDC/SDC/SSTC0.025 电池展现出优异性能，为IT-SOFCs（中温SOFCs）阴极设计提供新思路。

　　

研究背景与意义

固体氧化物燃料电池（SOFCs）作为高效能源转换装置，虽具备燃料灵活性和低排放优势，但传统高温（850–1000℃）运行导致的材料热稳定性差、成本高昂等问题制约其商业化。降低工作温度虽能缓解上述问题，却会显著削弱氧离子传导和氧还原反应（ORR）动力学性能。因此，开发兼具高催化活性和结构稳定性的中温SOFCs（IT-SOFCs）阴极材料成为研究焦点。

钙钛矿型ABO₃
材料因其可调控的离子/电子传导特性，被视为理想阴极候选。其中，Sr-Co-O体系虽展现优异氧渗透性，但高温下易发生相变导致体积膨胀，且纯SrCoO_3-δ
（SC）导电性不足。以往研究表明，通过B位掺杂（如Sc³⁺
、Nb⁵⁺
）可优化材料性能，但过量掺杂会降低Co⁴⁺
含量，反而损害导电性。如何平衡掺杂元素的稳定性和电化学性能，成为突破IT-SOFCs技术瓶颈的关键。

研究方法与技术路线

广东省基础与应用基础研究项目团队采用固相反应法合成SrSc_0.2-x

Ta_x

Co_0.8
O_3-δ
（x
=0–0.050）粉末，通过X射线衍射（XRD）分析相结构，X射线光电子能谱（XPS）表征元素价态，电化学阻抗谱（EIS）和线性扫描伏安法（LSV）评估极化电阻与ORR活性，并组装Ni-YSZ/YSZ/GDC/SSTC_0.025
单电池测试实际性能。

研究结果

1. 烧结温度与结构稳定性
XRD显示，1200℃烧结的SSTC_x

呈现单一立方钙钛矿相，而低温（1100℃）下Ta掺杂量≥0.025时出现杂相，表明高温烧结可促进Ta⁵⁺
均匀掺杂。Sc³⁺
-Ta⁵⁺
共掺杂通过抑制Sc³⁺
对电子传导的阻塞效应，维持了Co⁴⁺
/Co³⁺
氧化还原对的活性。

2. 电化学性能突破
EIS测试表明，SSTC_0.025
在700℃的极化电阻（R_p
）较未掺杂样品降低52%，归因于Ta⁵⁺
较低电负性削弱Ta-O键，促进氧空位形成。XPS证实Ta掺杂增加了表面吸附氧物种（O_ads
）比例，加速ORR动力学。

3. 单电池性能验证
以SSTC_0.025
为阴极的单电池在750℃峰值功率密度达675 mW/cm²
，且连续运行100小时性能衰减<3%，显著优于传统Nb掺杂体系（SrCo_0.8
Nb_0.2
O_3?δ
）。

结论与展望

该研究通过精准调控Ta掺杂量（x
=0.025），在SrSc_0.2
Co_0.8
O_3-δ
中实现了氧空位浓度、离子迁移率与电子传导的优化平衡，为解决IT-SOFCs阴极材料"高活性-长寿命"矛盾提供了新策略。发表于《Materials Science and Engineering: B》的成果不仅为钙钛矿材料设计提供理论指导，更推动了SOFCs向低温化、实用化迈进。未来研究可进一步探索Ta与其他元素（如Fe、Cu）的协同掺杂效应，以拓宽材料应用温度窗口。