高熵尖晶石氧化物(Mn3/11Fe3/11Co3/11Ni1/11Cu1/11)3O4阴极材料的设计及其在中温固体氧化物燃料电池中的性能研究

【编辑推荐】为解决传统尖晶石氧化物阴极在中温SOFCs中氧还原活性不足的问题，研究人员通过熵工程策略设计出非等摩尔比高熵尖晶石氧化物MFCNCO。该材料通过阳离子无序和晶格畸变显著提升表面氧空位浓度，使800°C下极化电阻降至0.89 Ω·cm2，单电池峰值功率密度达613 mW·cm-2，为开发高性能中温SOFC阴极提供新思路。

　　

能源转换技术正面临从传统化石燃料向清洁能源转型的关键挑战，其中固体氧化物燃料电池（SOFCs）因其高效、环保的特性备受关注。然而，中温条件下阴极材料的氧还原反应（ORR）动力学缓慢成为制约其发展的瓶颈。传统尖晶石氧化物如NiFe₂O₄（NFO）虽具有良好稳定性，但纯电子导电性和低氧离子电导率导致其性能远低于钙钛矿材料。近年来，高熵氧化物（HEOs）因其独特的"鸡尾酒效应"和熵稳定特性，在催化领域展现出巨大潜力。

为突破这一技术壁垒，国内研究人员通过非等摩尔比设计合成了高熵尖晶石氧化物(Mn_3/11Fe_3/11Co_3/11Ni_1/11Cu_1/11)₃O₄（MFCNCO）。研究采用溶胶-凝胶法制备材料，通过X射线衍射（XRD）和Rietveld精修确认立方尖晶石结构（空间群Fd-3m），结合透射电子显微镜（TEM）和拉曼光谱揭示晶格畸变，并利用X射线光电子能谱（XPS）分析表面氧空位浓度变化。电化学测试系统评估了材料在中温SOFCs中的性能表现。

Sample preparation
通过控制金属醋酸盐与柠檬酸（CA）、乙二胺四乙酸（EDTA）的摩尔比（1:2:1），采用pH调控的溶胶-凝胶法合成目标材料，确保阳离子的原子级均匀混合。

Results and discussions
XRD分析显示MFCNCO保持单相尖晶石结构，晶胞体积较NFO扩大1.2%。TEM观察到明显的晶格畸变（0.28 nm晶面间距偏移），Raman光谱中F_2g模式展宽证实阳离子无序。XPS证实过渡金属混合价态（Fe²⁺/Fe³⁺、Co²⁺/Co³⁺等）及氧空位浓度提升42%。电化学阻抗谱显示MFCNCO在800°C的极化电阻（0.89 Ω·cm²）较NFO降低54%，单电池峰值功率密度提升至613 mW·cm^-2。

Conclusion
该研究通过熵工程成功构建了具有阳离子无序和晶格畸变的高熵尖晶石阴极。Mn/Fe/Co主元与Ni/Cu次元的协同作用，不仅增强了结构稳定性，更通过"延迟扩散效应"优化了氧空位动力学。MFCNCO的性能突破为开发非钙钛矿体系中温SOFC阴极提供了新范式，其设计策略可扩展至其他能源转换材料体系。

Funding
国家自然科学基金（51872078, 52272197）和黑龙江省自然科学基金（LH2024E106）为本研究提供了支持。Tianxi Qiu等作者声明无利益冲突。这项发表于《Surfaces and Interfaces》的工作，标志着熵工程在能源材料领域应用的重大进展。