作为最有前途的发电和存储系统之一，可逆高温固体氧化物燃料电池与电解池是核能综合利用的关键研究内容，可结合核能等可再生能源实现高效地电-氢转化，具有低碳、灵活、高效等特点，为未来的能源需求提供清洁和可持续的解决方案。近日，中国科学院上海应用物理研究所能源材料与化学研究部在高温固体氧化物燃料电池与电解池方面取得了系列进展，相关成果陆续发表在 Small Structure、Small Methods、The Innovation Materials 等期刊。

为了寻找高催化活性、高稳定性、制备一致性的阴极材料，在题为“Key Roles of Initial Calcination Temperature in Accelerating the Performance in Proton Ceramic Fuel Cells via Regulating Three-dimensional Microstructure and Electronic Structure”（Small Structures, 2024, 2300439）一文中，作者以 BaCo_0.4Fe_0.4Zr_0.1Y_0.1O_3-δ（BCFZY）电极材料为例进行了详细研究，对调整初始粉末的合成温度（从 700℃ 到 1100℃）可以产生显著不同的电化学性能给出了新的解释。BCFZY800 阴极在 650 ℃时的峰值功率密度高达 1.32 W cm^-2，相比其他煅烧温度下的样品提升了 37% ~ 193%，且 BCFZY800 展现了超过 500 小时的高稳定性，并在电解模式下表现出优异的电解电流密度。这归因于 BCFZY800 电极具有最佳的孔隙率和最多的活性位点，由 FIB-SEM 三维重构技术和X射线吸收谱技术所证实。文章被选为 Small Structures 封面文章，论文第一作者为博士研究生崔景赠，通讯作者为 Guntae Kim、王建强、张林娟三位研究员。

为了解决工业应用中影响器件长期稳定性的界面分层问题，在题为“Suppressing Structure Delamination for Enhanced Electrochemical Performance of Solid Oxide Cells”一文中，作者以常见的空气电极 PrBa_0.8Ca_0.2Co₂O_5+δ （PBCC）、Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Co_0.2O_3-δ （BSCF）和La_0.8Sr_0.2MnO_3-δ （LSM） 为例，首次利用微聚焦X射线吸收光谱（μ-XAS）观察到活性位点（Co 或 Mn 离子）从电极表面向电极/电解质界面的氧化态明显降低（增加）。这是燃料电池（电解池）长时间测试后电极分层和降解的关键原因。为了解决这个问题，作者在这些传统空气电极中加入了氧气空位富集相 CeO₂，有效消除了这种长时间电化学操作下金属离子价态不均匀现象。PBCC−CeO₂电极在 650 ℃下运行近 500 小时，性能衰减速率仅为 0.095 mV h^-1，远低于传统PBCC的衰减速率（0.907 mV h^-1）。文章已被期刊 Small Methods 接收，论文第一作者为博士研究生崔景赠，通讯作者为 Guntae Kim、王建强、张林娟三位研究员。

为了应对工业制氢尾气的氢气提纯挑战，在题为“Micro-beam XAFS reveals in-situ 3D exsolution of transition metal nanoparticles in accelerating hydrogen separation”（The Innovation Materials 2024, 2, 100054）一文中，作者探讨了向经典质子导体 BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.1Yb_0.1O_3-δ（BZCYYb）钙钛矿结构中引入 Fe、Co 和 Ni 元素构建氢分离膜的可能，利用微聚焦X射线吸收光谱，观察到在高温氢气环境下 BZCYYbNi 和 BZCYYbCo 膜内的 Ni 和 Co 元素被还原为具有电子导电和催化性能的金属纳米颗粒，该析出现象拓展到了厚度达 ~0.45mm 的氢分离膜三维体相结构中。其中 Ni 掺杂 BZCYYb 的氢分离膜在 800 ℃ 下实现了 0.40 ml min^-1 cm^-2 的氢分离性能，为实现高效氢分离打下基础。文章发表在期刊The Innovation Materials上，论文第一作者为博士研究生朱健秋，通讯作者为王建强研究员、张林娟研究员，以及上海师范大学赵祥永教授。

以上研究得到了中国科学院储能先导专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金、面向二氧化碳的光子科学建制化研究平台等项目的支持。（核能综合利用中心-能源材料与化学研究部 供稿）

文章链接：

https://doi.org/10.1002/sstr.202300439

https://doi.org/10.59717/j.xinn-mater.2024.100054

(a) Small Structure文章期刊封面；(b) Small Methods文章；(c) The Innovation Materials文章