中科院大化所揭示鈣鈦礦陽極A位離子有序性對高溫析氧反應的影響機制

　　近日，我所能源催化轉化全國重點實驗室碳基資源電催化轉化研究組（523組）宋月鋒副研究員等，聯合復旦大學汪國雄教授團隊、美國佐治亞理工學院劉美林院士團隊，在固體氧化物電解池（SOEC）陽極高溫析氧反應（OER）方面取得新進展。合作團隊聚焦鈣鈦礦陽極A位離子有序性對高溫OER性能的影響，系統揭示了PrxBa2-xCo2O5+δ體系中離子有序-無序轉變對微觀結構及電催化性能的影響。

　　SOEC具有電流密度高、法拉第效率高、過電勢低等優勢，被認為是二氧化碳（CO2）減排和能源轉換的關鍵技術之一。鈣鈦礦氧化物是常見的SOEC陽極材料，然而，陽極離子有序性對OER反應速率的影響尚不明確。

　　在本工作中，科研人員通過制備兩種不同鐠（Pr）含量的PrBaCo2O5+δ（PBCO-1.0）和Pr1.5Ba0.5Co2O5+δ（PBCO-1.5）陽極材料，結合同步輻射X射線粉末衍射（SXRPD）、高角環形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）、X射線吸收譜（XAS）及18O同位素交換實驗等多種手段，深入剖析了A位離子有序-無序轉變誘導的電子結構變化及對高溫OER動力過程的影響。

　　研究表明，隨著Pr含量從1.0增加到1.5，PrxBa2-xCo2O5+δ晶體由有序四方相（P4/mmm）轉變為無序正交相（Pnma）。這一轉變打破了鈷-氧（Co-O）局部配位環境的對稱性，增強了Co 3d與O 2p之間的軌道雜化，從而提升了氧離子遷移效率，并加速了表面氧交換反應速率。電化學測試表明，在800 °C、1.6 V條件下，PBCO-1.5陽極的電流密度達到2.29 A cm-2，表現出優異的高溫OER性能和穩定性。

　　該研究從實驗和理論兩個方面闡明了鈣鈦礦A位離子有序性對高溫OER反應路徑和速率調控機制，同時為高性能SOEC陽極材料的理性設計提供了參考。

　　相關成果以“Breaking the Ion Ordering in Perovskite Anode for Enhanced High-Temperature Oxygen Evolution Reaction Activity”為題，發表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。該工作的共同第一作者是523組博士后于麗娜和美國佐治亞理工學院博士研究生胡學禹。該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。（文/圖 于麗娜）

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c09331