对于PCFC/PCEC而言，电极材料和电解质材料的热相容性至关重要，如果热膨胀不匹配，即热膨胀系数（TEC）相差太多，则电极会很容易与电解质脱离，不但造成高接触电阻，而且严重影响长期稳定性。
高性能质子传导固体氧化物燃料电池 (H-SOFC) 面临的关键挑战之一是阴极和电解质之间的热膨胀系数 (TEC) 不匹配。虽然加入负热膨胀 (NTE) 材料可以缓解这一问题，但机械混合往往会削弱阴极强度。为了解决这个问题，本文提出了一种 TEC 梯度阴极，并通过将 PrBa(Co0.7Fe0.3)2O5-δ(PBCF) 与 Y2W3O12 (YWO) 共烧结成功实现。在这项研究中，PBCF 的 A 位 Ba 原子从晶格中迁移出来，产生了 A 位缺陷。由此产生的具有低 TEC 的 BaWO4 和 Y10W8O21 相均匀分布在 PBCF 和 YWO 之间，形成 TEC 梯度复合阴极。此外，过渡相捕获了电解质层中的 A 位元素 Ba，优化了电解质-阴极界面。复合阴极表现出较低的 TEC，与电解质的 TEC 非常接近，显著增强了界面结合力，从而在 700°C 时提供 0.051 Ω cm2 的较低欧姆电阻和 1.88 W cm−2 的较高功率密度。值得注意的是，在温度切换条件下进行的热循环测试证明了复合阴极的长期热稳定性和化学稳定性。
a)XRD pattern of C-PBCF powder; b) Raman spectra of C-PBCF and PBCF; c)-f) TEM images: e) for PBCF, ef for Y2W3O12, g) BaWO4 and h) for Y10W2O21.
a)The XPS spectra of the O 1s orbital for PBCF, d- PBCF and C-PBCF; b) Co 2p for PBCF and C-PBCF; c) Fe 2p for PBCF and C-PBCF; d) TG analysis results of PBCF, d- PBCF, C-PBCF, YWO, BWO and Y10WO; e) CO2-TPD profile of PBCF and C-PBCF after pretreated in 10% CO2/He for 1 h.
a)EIS Nyquist plots for C-PBCF; b) DRT analysis comparison of EIS results between PBCF and C-PBCF; c) I-V-P of C-PBCF; d) a stability test under a variable temperature of C-PBCF from 700 to 600 °C; e) EIS Nyquist plots for C-PBCF after cycling; f) a stability test of C-PBCF in 0.7 V at 600 °C; g) Rp and decreased TEC comparison among similar thermal-expansion offset ideas article and the values of the entity stars represents the corresponding electrolyte TEC (Relevant references are displayed in Section S7 of Supporting Information).
a) Thermal-expansion curves of dense C-PBCF, PBCF, BWO, and Y10WO bar specimens from 30 to 800 °C in the air; b–d) Mechanism of thermo-mechanical enhancement of TEC deflection in C-PBCF realized by the collaborative efforts of trilateral (BWO, Y10WO, and YWO); e,f) The SEM images of the cell using the PBCF cathode e) and the C-PBCF cathode f) after a single test.
a) The structure model of tetragonal PrBaCo1.55Fe0.45O6 and PrBa0.9Co1.55Fe0.45O6; b) A schematic representation of the energy profile for the ORR on. TS is the transition state between dissociated oxygen surface diffusion and incorporated oxygen bulk diffusion into the lattice.
总而言之，本研究原位制备了具有TEC梯度的复合正极，从而提高了正极的长期耐久性。将高TEC的PrBa0.9Co1.4Fe0.6O6-δ与负TEC的Y2W3O12共煅烧后，原位形成了BWO和Y10WO作为过渡相，不仅避免了两相之间过度反应，还缓冲了热行为截然不同的两相之间的层，改善了氧电极之间的热融合。此外，由于过渡相的存在，C-PBCF与BZCYY之间建立了牢固的化学连接，恢复了BZCYY的高质子电导率。本研究重点关注了正极和电解质的物理性质和界面的微观调控。通过对两者进行有针对性的定制，欧姆电阻大大降低，从而优化了热机械完整性、微观结构稳定性、电化学性能和耐久性。
Y.Gao, M. Fu, S. Zhao, Z. Hou, K. Liu, X. Deng, Z. Tao, Self-Assembled Composite Cathodes with TEC Gradient for Proton-Conducting Solid Oxide Fuel Cells. Adv. Funct. Mater. 2024, 2416625.
https://doi.org/10.1002/adfm.202416625
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202416625
