分级多孔Ni-Ce0.8Sm0.2O2-δ阳极在中温固体氧化物燃料电池中的性能优化与机理研究

为解决中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFCs)阳极孔隙结构对性能的制约问题，研究人员通过联合添加淀粉和PMMA造孔剂构建分级多孔Ni-SDC阳极，形成200 nm、800 nm和10 μm三级孔道结构。该设计使单电池在723-923 K获得1.73 W·cm-2的峰值功率密度，较无造孔剂样品提升136%，同时保持优异稳定性。该研究为优化阳极三相边界(TPB)和燃料传输提供了新策略。

　　

随着全球变暖和大气污染问题日益严峻，固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高能量转换效率和低碳排放特性，被视为下一代清洁能源装置的重要候选。然而传统SOFC需要在1073-1273 K高温下运行，带来高成本、制造困难等问题。近年来，降低工作温度至中温范围(673-1023 K)成为研究热点，但随之而来的阴极氧还原反应(ORR)活性下降和电解质离子电导率降低等问题，使得电池性能大幅衰减。尽管阴极和电解质的研究已取得显著进展，但作为电池"燃料入口"的阳极结构优化却长期被忽视。特别是在阴极性能持续提升的背景下，阳极极化对整体性能的影响正逐渐凸显。

针对这一关键问题，国内研究人员创新性地采用淀粉和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)双造孔剂体系，构建了具有分级多孔结构的Ni-Ce_0.8Sm_0.2O_2-δ(SDC)阳极。通过精确调控10 μm级大孔、800 nm级中孔和200 nm级微孔的三维分布，实现了燃料高效传输与活性位点最大化的协同优化。相关成果发表在《Fuel》期刊，为开发高性能中温SOFC提供了新的阳极设计思路。

研究团队主要采用溶胶-凝胶法制备NiO-SDC复合粉末，通过干压成型和共烧结技术构建阳极支撑型单电池。利用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)表征材料结构，采用阿基米德法和BET测试分析孔隙特性，通过电化学工作站测量阻抗谱(EIS)和弛豫时间分布(DRT)解析电极过程动力学。特别设计了对称电池实验，定量比较阳极与阴极极化电阻的贡献差异。

3.1 化学相容性与阳极特性
材料表征显示NiO经还原后与SDC形成良好界面，晶格畸变仅1-2 nm。添加20 wt%造孔剂使比表面积提升至1.45 m²·g^-1，其中10S+10P样品展现出最快的氢气扩散速率(平衡时间108秒)。机械性能测试表明，分级多孔结构在保持55-58%孔隙率的同时，杨氏模量达25.4 GPa，满足SOFC应用需求。

3.2 电化学性能
10S+10P阳极支撑的单电池在923 K展现1.73 W·cm^-2的峰值功率密度(PPD)，较无造孔剂样品提升52%。长期稳定性测试表明，该结构在873 K工作200小时后性能衰减率仅为3.3%，远优于单一淀粉造孔的20S样品(13.4%)。

3.3 微观结构观察
SEM显示分级多孔阳极形成10 μm(淀粉造孔)、800 nm(PMMA造孔)和200 nm(NiO还原形成)的三级孔道网络，类似城市交通系统中的"高速公路-主干道-支路"分级体系。界面分析证实10S+10P样品具有最均匀的孔隙分布和最佳的电解质/阳极结合质量。

3.4 极化电阻与机理
DRT分析揭示阳极过程包含氢气扩散(低频)、表面氢过程(中频)和电荷转移(高频)三个步骤。对称电池实验首次定量表明：在773 K时，阳极极化电阻(R_p,a)已达阴极(R_p,c)的75%，且随温度降低贡献度显著增加，颠覆了传统认为"阳极非限速步骤"的认知。

该研究通过构建分级多孔Ni-SDC阳极，实现了三相边界长度和燃料传输效率的协同优化。特别值得注意的是，10 wt%淀粉与10 wt% PMMA的复合添加策略，既避免了单一淀粉造孔导致的机械强度下降(20S样品硬度仅47.3 HV)，又克服了纯PMMA造孔形成的亚微米孔气体传输受限问题。电化学机理研究首次通过对称电池实验证实：在中低温区间，阳极极化已成为限制SOFC性能的关键因素之一。这一发现为未来SOFC研发提供了重要指导——在持续优化阴极材料的同时，必须重视阳极结构设计。研究建立的分级造孔方法具有工艺简单、成本低廉的优势，为固体氧化物燃料电池的商业化应用提供了切实可行的技术路径。