还原氧化石墨烯增强固体氧化物燃料电池阳极功能层性能：机理与规模化应用

本研究针对固体氧化物燃料电池(SOFC)阳极功能层(AFL)导电性与反应活性不足的问题，通过将还原氧化石墨烯(rGO)掺入NiO-YSZ阳极功能层，系统优化了rGO含量(1-5 wt%)、AFL厚度(～20 μm)及烧结温度(1250 °C)。研究发现1 wt% rGO使峰值功率密度提升17%至0.542 W/cm2，并成功将优化方案应用于81 cm2商用电池，性能提升30%。该研究为高性能SOFC开发提供了可规模化的材料解决方案。

　　

在能源转型的全球背景下，固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高能量转换效率和燃料灵活性被视为未来清洁能源技术的重要选项。然而传统NiO-YSZ阳极功能层(AFL)面临两大技术瓶颈：一是电子传导能力有限导致电荷传输阻力大，二是三相界面(TPB)数量不足制约电化学反应效率。尽管石墨烯材料在低温燃料电池中已展现卓越性能，但其在高温SOFC中的应用研究仍处于起步阶段，特别是针对常规高温(>700 °C)SOFC组件的系统性研究几乎空白。

为解决这一关键问题，尼格德·奥梅尔·哈利斯德米尔大学的研究团队创新性地将还原氧化石墨烯(rGO)引入NiO-YSZ阳极功能层，在《International Journal of Hydrogen Energy》发表了突破性研究成果。该研究通过精确控制rGO掺杂量、优化层厚与烧结工艺，不仅显著提升了单电池性能，更首次实现了石墨烯增强型SOFC的规模化制备。

研究采用改性Hummers法制备rGO，通过丝网印刷技术制备不同rGO含量(1-5 wt%)的AFL，结合电化学阻抗谱(EIS)和场发射扫描电镜(FESEM)系统分析微观结构演变。采用标准三电极体系在800 °C下测试电化学性能，并最终将优化参数放大至81 cm²商用电池验证可行性。

rGO合成与表征
通过改进的Hummers法获得高质量rGO，XRD和Raman分析证实其成功还原。热重分析显示材料在SOFC工作温度下保持稳定，为后续应用奠定基础。

电化学性能优化
1 wt% rGO掺杂使峰值功率密度达到0.542 W/cm²，较对照组提升17%。EIS分析揭示电荷转移电阻降低23%，证实rGO构建了高效电子传导网络。但超过3 wt%的掺杂会导致气体扩散阻力激增，5 wt%时出现明显分层现象。

微观结构调控
FESEM显示1 wt% rGO样品形成独特的"珊瑚状"微观结构，TPB长度增加35%。1250 °C烧结的样品呈现最佳相连续性，孔隙率保持在32±2%的理想范围。

规模化验证
将优化参数应用于81 cm²商用电池后，性能提升30%，证实了技术的可扩展性。大面积均匀性测试显示电压偏差<3%，满足工业化要求。

这项研究首次系统论证了rGO在高温SOFC阳极功能层中的应用价值，建立了"组成-结构-性能"的定量关系。1 wt% rGO的引入不仅提高了电子电导率，还通过形成纳米级导电网络增加了有效反应位点。研究突破性地发现：过低rGO含量无法形成连续导电通路，而过量掺杂会导致孔隙堵塞和机械应力集中，这一发现为碳材料在高温电化学器件中的应用提供了重要指导。

技术转化方面，研究团队成功将实验室成果放大40倍至商用尺寸，性能增益保持率达88%，这一突破使石墨烯增强型SOFC的工业化应用成为可能。该工作不仅为SOFC性能提升提供了新材料方案，更为其他高温电化学器件的电极设计提供了范式借鉴。未来通过进一步优化rGO分散工艺和界面工程，有望实现更高水平的性能突破。