高熵氧化物共形涂层实现质子陶瓷电池表面氧反应的高效稳定催化

针对质子陶瓷电池(PCCs)在低温(<550°C)下空气电极氧还原/析氧反应(ORR/OER)活性不足和稳定性差的问题，华南理工大学团队开发了高熵PrNi0.2Mn0.2Co0.2Fe0.2Cu0.2O3?δ(PNMCFC)共形涂层修饰的复合电极，通过抑制Ba偏析和优化氧反应路径，使电池在550°C下获得1.30 W cm?2的峰值功率密度和200小时稳定运行，为低温PCCs电极设计提供新思路。

　　

在能源转型的大背景下，质子陶瓷电池(PCCs)因其卓越的燃料适应性和零排放特性，被视为下一代高效能源转换装置的有力竞争者。然而当工作温度降至550°C以下时，传统空气电极的氧反应动力学急剧恶化，更棘手的是，高湿度环境下Ba/Sr基钙钛矿材料普遍面临严重的元素偏析问题。这就像给电池装上了"哮喘"的呼吸系统——既无法快速"吸入"氧气参与反应，又难以在"潮湿环境"中保持健康状态。面对这一制约PCCs商业化的关键瓶颈，华南理工大学的研究团队独辟蹊径，将高熵材料的设计理念与界面工程相结合，开发出具有"鸡尾酒效应"的共形涂层技术，相关突破性成果发表在能源领域顶级期刊《Joule》上。

研究团队主要采用溶液渗透法构建高熵氧化物涂层，结合X射线衍射(XRD)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)进行材料表征，通过电化学阻抗谱(EIS)和弛豫时间分布(DRT)分析电极反应动力学，并运用密度泛函理论(DFT)计算揭示界面作用机制。实验选用30%湿度空气模拟实际工况，采用三电极体系测试500-650°C温度区间的极化电阻，最终通过单电池测试验证实际性能。

【结构表征】成功合成具有正交晶系(Pnma空间群)的高熵钙钛矿PNMCFC，其均匀分布的过渡金属元素形成特殊电子结构，XRD显示涂层完整覆盖PrBaCo₂O_5+δ(PBC)基底且无杂相。透射电镜证实涂层厚度约50nm，界面处存在明显的晶格应变。

【电化学性能】在550°C下，复合电极的极化电阻(R_p)降至0.72 Ω cm²，比裸PBC电极降低47%。单电池测试显示峰值功率密度提升至1.30 W cm^?2，电解模式下1.3V电压下电流密度达-1.36 A cm^?2。特别值得注意的是，在30%湿度空气中连续运行200小时后性能衰减不足5%。

【机理研究】DFT计算揭示三个关键机制：1)高熵涂层通过熵稳定效应抑制Ba²⁺向界面迁移；2)多金属协同作用降低氧空位形成能(从1.78eV降至1.12eV)；3)表面氧交换系数(k_chem)提高两个数量级。电导弛豫实验证实复合电极的体相扩散与表面反应协同增强。

这项研究开创性地将高熵材料体系应用于PCCs界面工程，通过精确调控"熵-焓-应变"多因素耦合，实现了"鱼与熊掌兼得"的效果——既保持传统钙钛矿的高导电特性，又获得前所未有的湿度稳定性。特别值得关注的是，该技术采用溶液法低温制备，与现有电池工艺兼容，为产业化铺平了道路。正如通讯作者Yu Chen强调的，这种"界面熵工程"策略可拓展至其他能源材料体系，为设计新一代耐候性电催化剂提供了普适性思路。随着后续研究的深入，这项技术有望推动PCCs在分布式能源、电解制氢等领域的商业化应用进程。