面向混合离子-电子导体基固体氧化物电池的电催化剂浸渍负载优化与性能增强研究

《JOURNAL OF POWER SOURCES》：Optimization of electrocatalyst infiltration for enhanced performance in mixed ionic-electronic conductor-based solid oxide cells

　　

针对混合离子-电子导体（MIEC）基固体氧化物电池（SOFC），研究人员通过湿化学浸渍策略在多孔Gd0.2Ce0.8O2-δ（GDC）骨架上负载纳米电催化剂，系统优化浸渍量。受主掺杂铈基电解质虽具有较高离子电导率，但其MIEC特性会引发电子泄漏电流，降低开路电压（OCV）与能量转换效率。传统复合阴极存在低温活性不足、热机械不匹配与长期稳定性差等问题，而浸渍法可在低温下构建高分散纳米催化层，拓展三相边界（TPB）并规避高温固相反应。研究人员对比钴基Pr–Sr–Co（PSC）与无钴Pr–Sr–Ni（PSN）、Pr–Sr–Fe（PSF）体系，发现适度浸渍负载可同时提升电子通路、催化活性与OCV；过量浸渍则导致颗粒团聚、孔隙堵塞及表面脆裂层形成。在650 °C下，PSC与PSN浸渍阴极分别实现1.9 W cm?2与1.7 W cm?2峰值功率密度（PPD），其中PSN展现优异长期稳定性，证明无钴方案可兼顾高性能与供应链安全，为MIEC电解质全电池浸渍量精准调控提供实验与机理依据。

研究背景与问题提出：固体氧化物电池（SOFC）向中低温运行发展时，阴极氧还原反应（ORR）动力学迟缓成为瓶颈。受主掺杂铈基电解质（如GDC）虽离子电导率高，但本质为混合离子-电子导体（MIEC），存在内部电子泄漏电流，使开路电压（OCV）偏离热力学平衡，降低效率。传统块体复合阴极（LSM、LSCF、BSCF等）受限于低温活性不足、热膨胀失配与长期退化。湿化学浸渍可在多孔骨架上生成纳米电催化剂，扩大三相边界（TPB，即气体、离子导体、电子导体交汇的反应界面），但浸渍量如何定量优化以协调MIEC系统中的泄漏与催化增益，此前研究不足。

研究人员以Pr/Sm掺杂GDC为MIEC导电骨架，系统浸渍钴基PSC与无钴PSN、PSF纳米催化剂，在全电池尺度评价微观结构、有效交换电流密度（i₀，表观平衡态双向反应电流密度）、OCV、面积比电阻（ASR）与峰值功率密度（PPD），明确负载量—微结构—电化学性能映射关系。

关键技术方法：研究采用溶液浸渍-热分解构筑纳米催化剂/MIEC骨架复合阴极；通过梯度体积（2、4、8、12、18 μL）重复浸渍控制负载；结合高倍SEM观测骨架表面、孔隙与截面形貌演化；基于全电池极化曲线与低过电势区拟合获得有效交换电流密度；以对称与全电池测试评估ORR活性、OCV及长期稳定性，样本为实验室制备的GDC电解质支撑全电池体系。

研究结果：

2.1 浸渍负载驱动下的微结构演变

随浸渍量从2 μL增至8 μL，纳米颗粒在骨架内分布由顶端富集、连通性差逐步转为均匀覆盖，TPB最大化；8 μL附近相连通性与孔隙率最优。12–18 μL时颗粒团聚、孔隙涂闭，18 μL形成厚且脆的表面层，易剥离并引入接触电阻，反而损害阴极功能。

2.2 浸渍负载对有效交换电流密度（i₀）的影响

因GDC电解质存在内部电子泄漏，OCV下电极并非零电流真平衡，故引入有效交换电流密度表征。适量浸渍提升i₀与ORR速率；过量后因传质受阻与厚度增加，动力学收益被欧姆与接触损耗抵消。

2.3 OCV、ASR与功率输出

阴极种类与负载量显著调控OCV：合理纳米催化层抑制泄漏路径表观贡献、改善界面电子-离子通路。PSC在优化负载下PPD达1.9 W cm^?2，无钴PSN达1.7 W cm^?2（650 °C），ASR显著降低；PSN同时表现长期衰减缓慢。

讨论与结论翻译：

讨论指出，MIEC电解质全电池中浸渍量存在明确最优窗口，微结构连通性比单纯增加催化剂质量更关键。无钴PSN在活性与稳定性上逼近钴基PSC，且规避钴原料地缘与伦理供应风险。研究结论如下：优化电催化剂浸渍负载可显著增强MIEC基SOFC性能；钴基PSC与无钴PSN浸渍阴极在650 °C分别实现1.9与1.7 W cm^?2峰值功率密度；阴极选择与浸渍量强烈影响OCV；PSN具备长期稳定性，是无钴阴极的稳健替代方案。

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把这篇解读改写成期刊审稿意见

对比PSC与PSN的微结构失效机制

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