DOI: 10.1039/D4TA01845A
原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2024/ta/d4ta01845a
本研究探索了 Pr4Ni3O10+δ (PNO) 中氧交换动力学的复杂性，旨在评估其作为固体氧化物燃料电池应用的可行阴极材料的潜力。利用多方面的方法，采用了电导率弛豫、脉冲同位素交换和氧渗透等先进技术。与其他有前途的阴极材料（特别是 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ (LSCF6428)）的比较分析表明，PNO 具有优越的性能。在 650°C 时，PNO 表现出的化学扩散交换系数 Dchem 和表面交换系数 kchem 比 LSCF6428 高一个数量级。通过在 700°C 下进行 1000 小时电导率弛豫测试进行的长期稳定性评估证实了 PNO 的稳定性。氧渗透研究揭示了膜厚度与渗透率之间的反比关系。值得注意的是，与 LSCF6428 相比，PNO 显示出两倍高的氧通量。此外，PNO 在 700°C 下保持 1000 小时以上的稳定氧渗透，而 LSCF6428 中观察到的 11% 的降解则形成了鲜明对比。X 射线衍射和扫描电子显微镜分析证实了 PNO 的稳定性，而 LSCF6428 中观察到的二次相形成导致了其降解。在 350-450°C 的温度范围内对 PNO 的分馏粉末进行的脉冲同位素交换测量为表面交换机制提供了深刻的见解。这些测量表明，在实验涵盖的最高氧分压 (pO2) 值下，解离吸附ℜads 和氧结合ℜinc 的相对速率参与竞争性氧交换动力学。相反，在较低的 pO2 值下，氧气交换主要受到ℜads 的限制。
本论文以LSCF6428作为benchmark材料，系统对比了PNO和LSCF6428，采用一些传统的和新颖的表征技术，对二者进行了对比，表明了PNO用作SOFC阴极的重大潜力。且对于PNO的表面氧交换机制，使用脉冲同位素交换测量技术进行了深入研究。
总而言之，这项综合研究系统地评估了PNO作为SOFC应用的有前途的材料的潜力。研究涵盖了各个方面，包括相纯度、热稳定性、氧交换动力学和长期性能。通过XRD和TGA确认了 PNO 的相纯度和热稳定性。观察到的无杂质和高达 1085°C 的高稳定性强调了 PNO 作为候选材料的可靠性。通过电导率弛豫 (ECR)、脉冲同位素交换 (PIE) 和氧渗透研究证明 PNO 具有优越的氧交换动力学。PNO 表现出显著的化学扩散交换系数 Dchem 和表面交换系数 kchem，在各种温度下均优于广泛研究的LSCF6428。在 650°C 时，PNO 表现出的 Dchem 和 kchem 分别比 LSCF6428 高出大约一个数量级。通过在 700°C 下进行 1000 小时以上的 ECR 测量来评估 Dchem 和 kchem 的长期稳定性，未发现任何降解迹象。这些结果得到了 XRD、EDS 和 SEM 分析的进一步支持。氧气渗透研究表明 PNO 效率高，膜厚度与渗透速率呈反比关系。重要的是，在 700°C 下长达 1000 小时的测试期内，PNO 始终保持稳定的氧气渗透性，与降解了 11% 的 LSCF6428 相比，氧气通量增加了一倍。对 PNO 的脉冲同位素测量表明，解离吸附是氧气表面交换过程中的限速步骤。在氧气交换速率对 pO2 的依赖性研究中，ℜ0 的表观幂律指数为 ~0.5，ℜads 的表观幂律指数为 ~1，进一步阐明了 PNO 表面交换行为。此外，这些测量表明，在较低的 pO2 值下，氧气交换受到 ℜads 的限制，而在测试的最高 pO2 值下，ℜads 和 ℜinc 在氧气交换中竞争。这项研究鼓励进一步探索和开发基于 PNO 的阴极材料，以实现高效耐用的 SOFC。
