纳米催化剂渗透策略协同提升固体氧化物燃料电池电极性能与稳定性的机理研究

这篇综述深入探讨了Sm0.5Sr0.5CoO3?δ（SSC）渗透对La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3?δ（LSCF）电极的双重优化机制。通过构建致密模型电极和全电池系统，揭示了SSC层通过降低表面电位抑制SrO析出和相分解，同时加速氧表面交换动力学，为设计高性能固体氧化物燃料电池（SOFC）电极提供了新思路。

　　

1 引言

随着能源系统向低碳化转型，高温电化学器件如固体氧化物燃料电池（SOFC）因其高效能和燃料灵活性备受关注。然而，电极降解和缓慢的表面反应严重制约其商业化进程。表面修饰技术通过纳米催化剂渗透（如SSC）可显著提升电极性能，但其同时增强催化活性和稳定性的机制尚不明确。本研究采用致密LSCF模型电极，结合电化学阻抗谱（EIS）和显微分析，系统解析了SSC渗透的双重作用机制。

2 结果与讨论

2.1 致密电极的构建与电化学表征

通过共烧结法制备的致密LSCF电极消除了多孔结构的几何干扰，SSC渗透形成均匀纳米层（厚度≈数百纳米）。EIS分析显示，SSC将表面交换系数（k^q）提升至1.15 eV（LSCF为1.61 eV），证实其催化作用通过多孔层而非完全覆盖实现。

2.2 SOFC工况下的稳定性增强

在-0.9 V阴极偏压下，SSC/LSCF电极的表面交换电阻（R_s）仅增长5%，而纯LSCF电极骤增40%。STEM-EDX显示LSCF电极表面形成SrO和(Co,Fe)₃O₄分解层（深度≈400 nm），而SSC层有效阻隔了相变。电压分布模型揭示SSC通过加速氧交换反应，将LSCF骨架的实际电位从-0.24 V降至-0.11 V，从而抑制降解。

2.3 全电池性能验证

SSC渗透使SOFC最大功率密度提升55%（1.7 vs. 1.1 W cm^?2）。130小时恒流测试中，SSC/LSCF全电池电压保持0.95 V无衰减，而对照组降至0.8 V。XRD和XPS证实SSC抑制了SrCrO₄形成（Cr中毒标志物），其机制归因于降低的电极极化减缓了Sr迁移。

3 结论

SSC渗透通过"催化-稳定"协同效应：表面氧交换动力学加速降低LSCF骨架电位，同时抑制Sr偏析和B位元素分解。该研究为SOFC电极设计提供了普适性策略，即通过调控局部氧化学势梯度实现性能与稳定性的同步优化。

4 实验方法

采用尿素-甘氨酸法制备SSC前驱体溶液，通过滴涂-煅烧循环（650°C）实现可控渗透。致密电极通过流延成型共烧结（1300°C），全电池测试采用商用Ni-YSZ阳极支撑结构，结合原位EIS和post-mortem显微分析揭示降解机制。