钴掺杂层状钙钛矿PrBaFe1.8 Co0.2 O5+δ 对称电极在质子陶瓷燃料电池中的多功能高性能研究

为解决传统固体氧化物燃料电池（SOFCs）高温运行限制及质子陶瓷燃料电池（PCFCs）氧还原反应（ORR）和氢氧化反应（HOR）动力学缓慢的问题，研究人员开发了钴掺杂层状钙钛矿PrBaFe1.8 Co0.2 O5+δ （PBFC）对称电极。实验表明，PBFC在700°C下极化电阻低至0.03 Ω cm2 （湿空气）和0.061 Ω cm2 （湿H2 ），单电池输出功率达280 mW cm?2 （H2 燃料），且具有80小时稳定性。该研究为PCFCs中低温高效运行提供了新材料设计策略。

　　

研究背景与意义

传统固体氧化物燃料电池（SOFCs）依赖氧离子传导电解质，需在700–850°C高温下运行，导致材料老化和成本攀升。质子陶瓷燃料电池（PCFCs）将工作温度降至500–700°C，但面临阴极氧还原反应（ORR）动力学迟缓和质子传输效率低的瓶颈。层状钙钛矿材料（如LnBaFe₂
O_5+δ
）因其可调控的氧空位和B位金属活性，成为解决上述问题的突破口。然而，现有材料在长期稳定性和热膨胀匹配方面仍有缺陷。

针对这一挑战，中国的研究团队通过钴掺杂策略，设计出新型对称电极材料PrBaFe_1.8
Co_0.2
O_5+δ
（PBFC），并系统评估其在PCFCs中的性能。相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为开发中低温高效燃料电池提供了新思路。

关键技术方法

研究采用溶胶-凝胶法合成PBFC粉末，通过X射线衍射（XRD）和能谱分析（EDS）验证其与BaZr_0.1
Ce_0.7
Y_0.1
Yb_0.1
O_3-δ
（BZCYYb）电解质的化学兼容性。电化学测试包括交流阻抗谱和直流极化法，量化电极在湿空气和湿H₂
中的极化电阻。单电池性能通过测量H₂
和C₃
H₈
燃料下的输出功率密度评估。

研究结果

结构分析与化学兼容性
XRD显示PBFC保持正交晶系（空间群Pmmm），晶胞参数为7.36539 ?，与未掺杂的PrBaFe₂
O_5+δ
（PBF）结构相似。EDS证实PBFC与BZCYYb电解质无元素互扩散，表明良好的界面稳定性。

电化学性能
在700°C下，PBFC对称电极的极化电阻（R_p
）在湿空气和湿H₂
中分别低至0.03 Ω cm²
和0.061 Ω cm²
，显著优于PBF。单电池测试显示，以H₂
为燃料时最大功率密度（P_max
）达280 mW cm^?2
，丙烷（C₃
H₈
）燃料下为170 mW cm^?2
。

稳定性测试
PBFC电极在H₂
气氛中连续运行80小时后性能衰减可忽略，证明其结构稳定性和抗还原能力。

结论与展望

该研究证实钴掺杂通过优化FeOx层的氧空位分布，显著提升PBFC对ORR和HOR的催化活性。其对称电极设计简化了电池组装工艺，同时兼容多种燃料（如H₂
和碳氢化合物）。未来研究可进一步探索其他B位金属（如Ni、Mn）掺杂对质子传导率的影响，推动PCFCs的商业化应用。

（注：全文数据及结论均基于Zepeng Zhao等作者原文，未添加非原文信息）