锶诱导结构演化的铁溶出催化剂助力氨燃料SOFC分布式能源系统性能突破

针对传统Ni-YSZ阳极在氨燃料固体氧化物燃料电池(NH3 -SOFC)中存在的氢中毒、镍迁移等问题，研究人员通过锶掺杂策略设计La1-x Srx FeO3-δ (LSF)钙钛矿阳极。该材料在还原条件下发生Ruddlesden-Popper(R-P )相变并溶出Fe纳米颗粒，显著提升NH3 电氧化动力学，功率输出达H2 燃料的98%，为分布式能源系统提供新方案。

　　

氨燃料固体氧化物燃料电池(NH₃
-SOFC)作为可再生能源转换技术，因其完美匹配氨分解温度(600-800°C)而备受关注。然而传统镍-氧化钇稳定氧化锆(Ni-YSZ)阳极面临严峻挑战：金属镍颗粒在高温下易粗化迁移，导致电化学活性三相边界(TPB)缩短；燃料中断时镍氧化引发的体积膨胀(约69%)会破坏电池结构；更关键的是，NH₃
电氧化动力学缓慢且存在氢中毒现象。这些瓶颈严重制约着NH₃
-SOFC在分布式能源系统的应用。

为解决这些问题，福州大学的研究团队创新性地采用锶掺杂策略改造经典钙钛矿LaFeO₃
，设计出La_1-x

Sr_x

FeO_3-δ

(LSF)阳极材料。通过溶胶-凝胶法制备系列样品后，结合X射线衍射(XRD)、电化学阻抗谱(EIS)等技术系统表征，发现该材料在还原条件下发生从单一钙钛矿向Ruddlesden-Popper(R-P
)层状钙钛矿LaSrFeO₄
的结构演变，同时溶出Fe纳米颗粒。这种独特的结构演化赋予材料三大优势：适度抑制H₂
吸附能力缓解氢中毒；产生中强碱性位点促进N原子重组为N₂
；丰富的氧空位和Fe活性位点协同提升电荷转移效率。

Construction of LSFx
anode catalysts with Sr-induced structural evolution
XRD分析揭示，当Sr掺杂量x≥0.3时，还原后的LSFx
出现典型R-P
相特征峰(2θ=32.8°)，同时检测到金属Fe相(2θ=44.7°)。透射电镜(TEM)显示Fe纳米颗粒(20-50nm)均匀分布在LaSrFeO₄
载体上，而未掺杂Sr的LaFeO₃
仅发生表面纳米颗粒析出且载体结构不变。X射线光电子能谱(XPS)证实Fe²⁺
/Fe³⁺
比值随Sr含量增加而升高，说明Sr掺杂有效调控了Fe的价态。

Electrochemical performance evaluation
在750°C测试中，LSF0.4
阳极的峰值功率密度达到1036mW/cm²
，是传统Ni-YSZ的3.7倍，且接近H₂
燃料性能的98%。弛豫时间分布(DRT)分析表明，LSF0.4
在中频区(1-10Hz)的极化电阻显著降低，对应NH₃
电氧化过程加速。长期稳定性测试显示，经过100小时运行后性能衰减率仅为4.2%，远优于Ni-YSZ的23.7%。

Mechanistic insights
通过程序升温脱附(NH₃
-TPD)和密度泛函理论(DFT)计算发现，R-P
相特有的层状结构产生两类活性位点：Fe纳米颗粒促进NH₃
解离吸附，而LaSrFeO₄
载体上的氧空位提供N-N耦合位点。这种双功能机制使反应路径从传统的间接氧化(先分解NH₃
再氧化H₂
)转变为直接电氧化路径，速率控制步骤从N₂
脱附转变为NH₃
的初始解离。

该研究通过巧妙的Sr诱导结构演化策略，成功开发出兼具高活性和稳定性的LSF基阳极材料。其科学价值在于揭示了钙钛矿材料在还原性气氛中的相变规律与催化性能的构效关系；实际意义在于为NH₃
-SOFC分布式能源系统提供了免镍阳极解决方案，推动氨作为氢能载体的实际应用。特别值得注意的是，材料制备采用的溶胶-凝胶法具有良好的可扩展性，且Sr、La、Fe等元素储量丰富，具备产业化应用潜力。这项工作发表在《Fuel》期刊，为新一代SOFC阳极设计提供了重要范式。