PrBaMn2O5+δ最早提出是作为SOFC的阳极材料，展现出极佳的性能，具体可查阅文献（Sengodan, S., Choi, S., Jun, A. et al. Layered oxygen-deficient double perovskite as an efficient and stable anode for direct hydrocarbon solid oxide fuel cells. Nature Mater 14, 205–209 (2015). https://doi.org/10.1038/nmat4166）。
本论文则针对PrBaMn2O5+δ进行了进一步改性，提升性能。
缺陷和键的协同设计是一种提高固体氧化物电解池 (SOEC) 阴极材料活性的新策略。在本研究中，作者进行了层状 PrBaMn2O5+δ (PBM) 和 Pr0.9K0.1BaMn2O5+δ (PKBM) 材料的合成和表征，旨在开发用于高温 H2O 电解的阴极。彻底研究了 K 掺杂对这些材料的结构、物理化学和电化学性质的影响。结果表明，K 掺杂会引起晶格膨胀并降低 PKBM 中的总阳离子价态。这些变化显着增加了氧空穴浓度，增强了电极表面 H2O 的化学吸附能力并提高了 H2O 还原反应活性。理论计算支持这些发现，表明 K 掺杂降低了氧空穴形成能并增强了 H2O 吸附。阻抗分析进一步表明 K 掺杂降低了极化电阻，从而增强了表面吸附和扩散过程。因此，PKBM 阴极表现出优异的电解性能，在 1.3 V 和 800 °C 时电流密度达到 739 mA/cm2。该策略为设计用于高温 H2O 电解和其他电化学催化应用的先进阴极提供了宝贵的见解。
研究亮点包括：
提出了阴极材料的缺陷和键的协同设计。
首次评估了K掺杂的PrBaMn2O5+δ（PKBM）钙钛矿作为SOEC阴极的性能。
PKBM通过增加氧空位浓度来增强H2O的吸附。
PKBM阴极表现出优异的H2O还原性能。
Fig. 1. (a) X-ray diffraction pattern: (Ⅰ) Pr0.5Ba0.5MnO3-δ, (Ⅱ) Pr0.45K0.05Ba0.5MnO3-δ, (Ⅲ) Pr0.9K0.1BaMn2O5+δ obtained by calcination of Pr0.45K0.05Ba0.5MnO3-δ at 800 °C for 10 h in an atmosphere of 5 % H2/Ar, (Ⅳ) Pr0.9K0.1BaMn2O5+δ calcined at 800 °C for 10 h in an air atmosphere; (b) XPS spectra of K-2p for PBM and PKBM; (c) HR-TEM image of PKBM; (d) EDX elemental maps of PKBM.
Fig. 2. (a) Thermogravimetric curve in reducing atmosphere, (b) XPS spectra of Mn-2p, (c) XPS spectra of O-1s, (d) temperature programmed desorption curve of H2O.
Fig. 3. (a) Electrochemical impedance spectroscopy of symmetrical cell with using PBM electrode, (b) electrochemical impedance spectroscopy of symmetrical cell with using PKBM electrode, (c) Arrhenius plot of Rp for PBM/PKBM, (d) DRT analysis of PBM/PKBM.
Fig. 4. (a) Comparison in current density with cells using PBM and PKBM anode at 1.3V, (b) the high-temperature steam electrolysis performance comparison obtained with various perovskite electrodes under similar operational conditions using H2O-H2 as feed gas [[14], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47]], (c) I-V curve of PKBM cell operated under different steam concentrations at 800 °C, (d) the long-term stability test under a 50 % H2O-H2 atmosphere at constant current density.
Fig. 5. (a) Oxygen vacancy formation energies, (b) the adsorption configurations of H2O on the surface model, (c) effective Mulliken charges of the atoms, (d) the reaction pathway of H2O-RR.
Fig. 6. The schematic diagram of defects and bonds collaborative design to increase the oxygen vacancy concentration.
总要概括，本文合成了层状PBM和PKBM，以开发用于H2O还原的高性能阴极。利用各种表征技术，包括XRD，XPS，TG，H2O-TPD，深入研究了K掺杂对电极物理化学和电化学性能的影响。结合DFT计算，作者证明了K掺杂导致PKBM晶格膨胀，总阳离子价态降低。这两种协同效应增加了PKBM的氧空穴浓度，显著增强了H2O在电极表面的化学吸附能力，从而提高了H2O-RR的反应活性。此外，EIS和DRT结果表明，随着K离子的引入，极化电阻降低，这表明PKBM的表面吸附和扩散过程得到显著增强。得益于这种较低的极化电阻，基于 PKBM 的电池表现出优异的 H2O 电解性能，在 1.3 V 和 800 °C 时电流密度达到 739 mA/cm2。因此，本研究设计的 PKBM 阴极有望成为高温 H₂O 电解应用的潜在候选材料。
Anwei Sun, Jia Yang, Yi Liu, Zhipeng Gao, Shuai Liu, Guangming Yang, Haoran Xu, Enhancing solid oxide electrolysis cell cathode performance through defect and bond engineering: A study on K-doped PrBaMn2O5+δ perovskites,
Journal of Power Sources,
Volume 627,
2025, 235807,
ISSN 0378-7753,
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.235807.
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775324017592#fig1
