调控双钙钛矿中高熵组分促进高温析氧反应

摘要

固体氧化物电解池（SOEC）中阳极析氧反应动力学较为迟缓,限制了SOEC器件电催化转化能力,因此针对阳极材料的改性研究对于进一步提升SOEC电化学性能十分关键。高熵钙钛矿（HEP）在许多反应中表现出良好的催化活性,但在SOEC中的应用鲜有研究。本文通过在双钙钛矿的A位或A'位分别掺杂不同的稀土金属、碱土金属或碱金属离子,合成了(Pr_0.2La_0.2Sm_0.2Nd_0.2Gd_0.2)BaCo₂O_6-δ（A-HEP）和Pr(Ba_0.2Sr_0.2Ca_0.2Na_0.2K_0.2)Co₂O_6-δ（A'-HEP）两种高熵钙钛矿材料。由于掺杂离子平均半径和氧化态的差异,A-HEP保持四方双钙钛矿相结构而A'-HEP则转变为正交单钙钛矿相。物理化学表征结果表明,A-HEP中Co平均价态更高,Co 2p-O 1s杂化更强,从而增加了电子转移路径并降低了转移能垒。同时,A-HEP中表面氧空位浓度更高,可为阳极析氧反应提供更多的活性位点。因此,在具有A-HEP阳极的SOEC中,与氧输运、电子传输和表界面反应过程相关的阳极极化电阻显著降低,并在800℃下实现最高1.76 A·cm^-2的电流密度和200 h的稳定性。本工作为高熵钙钛矿材料在SOEC阳极中的应用提供了新的策略。

关键词

固体氧化物电解池 / 高熵钙钛矿 / 析氧反应 / 氧空位 / 电子转移