01
研究背景
化石燃料燃烧等传统能源生产方式对环境和资源的不利影响， 推动了对绿色环保、可持续的替代能源的开发需求增大。燃料电池具有低污染物排放和高效率的优点，被认为是一种有前景的发电技术。特别是，与其他类型的燃料电池相比，基于氧化物离子或质子传导电解质的固体氧化物燃料电池 (SOFCs) 具有几个优点，包括相对便宜的材料、对燃料中杂质的低敏感度以及高的发电效率。
目前，固体氧化物燃料电池在成本和耐久性方面尚无法与传统的燃烧系统竞争。近年来，人们一直在努力开发500-800℃下运行的中低温固体氧化物燃料电池。降低工作温度可以抑制电池组件的退化，扩大可接受的材料选择范围，提高电池的耐久性，降低系统成本。此外，在低温 (LT) 和中温 (IT) 下运行的中低温固体氧化物燃料电池具有较短的启动时间和经济竞争力，可应用于很多场景，如小型便携式设备、汽车辅助电源单元和大型分布式发电系统等。然而，降低工作温度也会同时降低电极反应动力学，并导致较大的界面极化电阻，这种效应在阴极的氧还原反应 (ORR) 中最为突出。为了降低阴极的极化电阻，良好的电子和离子传导特性以及对 ORR 的高催化活性是必不可忽缺的。
02
综述内容
本文旨在概述中低温固体氧化物燃料电池阴极纳米工程领域的研究进展，包括基于一维纳米纤维、纳米管和纳米线的阴极、通过原子层沉积和脉冲激光沉积制备的纳米涂层、钙钛矿材料的原位出溶纳米颗粒、浸渍纳米颗粒、单原子基阴极催化剂、三重导电氧化物阴极，以及机器学习 (ML) 和人工智能 (AI) 在纳米材料选择应用的研究进展。最后，总结并指出了下一代固体氧化物燃料电池阴极纳米工程方面未来的一些研究方向。
图1 下一代固体氧化物燃料电池阴极纳米工程。
图2 基于 SOFC/SOEC 技术的可持续能源系统。
03
总结展望
(1) 用于固体氧化物燃料电池的电极纳米工程已成为一种多功能工具，可显著提高中低温下运行的下一代固体氧化物燃料的电化学性能，但在集成到适合大规模应用的实际电池中仍存在一些挑战，例如开发可放大的、且成本有效的方法，抑制纳米颗粒和单原子基催化剂在高温下的粗化，揭示三相边界 (TPBs)、界面极化电阻和阴极催化活性之间的定量相关性等。计算设计、机器学习 (ML) 和人工智能 (AI) 的结合将会为助力实现这一目标。此外，人工智能可能有助于揭示阴极微观结构与其活性之间的复杂关系。
(2) 未来，对固体氧化物燃料电池的研究应集中于开发成本有效的新材料、新工艺和新概念，用于在中低温度下使用氢气或碳氢化合物作为燃料的下一代固体氧化物电池，以及用于季节性长时储能的高性能可逆固体氧化物电池 (RSOC)，这在实现双碳目标方面发挥重要作用。
(3) 本论文中讨论的所有纳米工程技术均可用于制造其他电化学能量转换和存储器件的电极材料，如新兴的固态电池等。
04
论文信息
Advances in nanoengineering of cathodes for next-generation solid oxide fuel cells
Chunwen Sun
Inorg. Chem. Front., 2024,11, Advance Article
https://doi.org/10.1039/D4QI02451F
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05
通讯作者简介
孙春文 教授
中国矿业大学
孙春文，中国矿业大学 (北京) 化学与环境工程学院，教授，博士生导师，中国-西班牙能源材料联合实验室主任，储能材料与器件实验室负责人。2006年毕业于中国科学院物理研究所，获理学博士学位。毕业后先后在德国慕尼黑工业大学物理系、加拿大国家研究院燃料电池创新研究所、美国德州大学奥斯汀分校材料研究所任博士后 (合作导师 John B Goodenough 教授，美国两院院士，2019年诺贝尔化学奖得主) 和助理研究员；2011年入选中科院物理所引进国外杰出人才计划，回到中科院物理研究所清洁能源重点实验室任副研究员；2015年被中国科学院大学北京纳米能源与系统研究所引进，任研究员、博士生导师、课题组组长、所学术委员会委员；2021年3月以高层次人才被中国矿业大学(北京)引进到化学与环境工程学院工作。近年来，研究工作主要集中在纳米结构材料的合成、表征及其在能量转换与存储器件中的应用 (锂/钠离子电池，全固态电池，金属空气电池，燃料电池)。已在 Energy Environ. Sci., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., ACS Nano 等期刊上发表论文180篇，他引用超过18000次 (Google Scholar)，17篇 ESI 高被引和热点论文，40篇论文他引超过100次，单篇最高引用1600次， H 因子60；申请26项中国发明专利，19项已获授权。应邀编写英文专著3本，6章节，中文专著2章节。目前担任中国硅酸盐学会固态离子学分会理事，中国能源研究会燃料电池专业委员会委员，中国仪表功能材料学会储能与动力电池及其材料专业委员会委员，在重要国际会议上做邀请报告40余次。作为负责人，目前主持在研国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项项目1项，国家自然科学基金面上项目1项，承担企业委托横向课题2项，国家实验室开放基金2项；主持并已结题国家重点基础研究发展计划 (973) 项目1项和国家自然科学基金面上项目3项，结题国家重点研发计划项目1项。所获奖项和荣誉：2013年获得军队科技进步二等奖，2014年英国皇家化学会 (RSC) Top 1%高被引作者，2017年获得国际先进材料协会 (IAAM) 科学家奖 (瑞典)，连续六年入选爱思唯尔 (Elsevier) 材料科学领域 (2018，2019) 和化学领域 (2020~2023) 中国高被引学者，2020年获中国物理学会年度最有影响论文奖，2021-2022年 Wiley 高被引作者，2022年北京市普通高校优秀本科生毕业论文优秀指导教师，2023年全国石油和化工教育优秀教学团队，连续多年入选美国斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家职业生涯影响力榜单和全球前2%顶尖科学家年度影响力榜单，被聘请担任全球能源奖 (The Global Energy Prize，俄罗斯) 评审人 (2020~2023)、国家重点研发计划“氢能技术”、“储能与智能电网技术”、“稀土新材料”、 “纳米前沿”重点专项、“高端功能与智能材料”重点专项、战略性国际科技创新合作重点专项、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京市科学技术奖以及以色列、智利、香港和澳门等项目评审人。
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