南京工业大学再发一篇Nature！

2020年3月28日，南京工业大学邵宗平团队联合周嵬团队向Nature期刊提交了一篇研究论文。经过接近一年时间的修改，这篇题为“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”的文章最终于2021年3月10日在Nature网站在线刊出，实属不易！过程是苦涩的，但结果是甘甜的！

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效的能量转换装置，其商业化发展面临的一个挑战是热-机械不稳定性。燃料电池不同组件之间热膨胀行为的不匹配性导致大的内部应变梯度是这种不稳定的主要原因，例如常用钴基钙钛矿阴极高的热膨胀系数（TEC）远远大于普通SOFC电解质，这可能导致电池降解、分层或断裂。

为了大幅度降低钴基电极的TEC而不对氧还原反应（ORR）施加负面影响甚至带来正面作用，南京工业大学邵宗平、周嵬等人报道了如何合成和适当选择负热膨胀（NTE）材料，以及通过引入热膨胀偏移来实现阴极与电池其他组件之间完全热机械兼容的方法。

研究人员使用反应烧结将具有高电化学活性和大的热膨胀系数的钴基钙钛矿 SrNb_0.1Co_0.9O₃₋_δ（SNC，TEC为19-24×10^-6 K^-1）与负极热膨胀材料Y₂W₃O₁₂氧化物（YWO，TEC为-7×10^-6 K^-1）结合在一起，在SNC与YWO之间引发了有益的界面反应，从而形成具有与电解质良好匹配的热膨胀性能的复合电极。由于在煅烧过程中，复合材料中两种材料之间的反应程度有限，导致锶从钙钛矿本体相中脱出，形成新的中间相SrWO₄（SWO），这会在钙钛矿中形成A位缺陷。

结果，所获得的SYNC复合材料（c-SYNC）显示出良好的SOFC电化学性能和出色的热机械稳定性。具体而言，在600 ℃下，c-SYNC复合电极具有良好的ORR活性，ASR值为0.041 Ωcm²；使用c-SYNC阴极的SOFC纽扣电池的峰值功率密度在750 °C时达到1690 mW cm^-2。降低的TEC、钙钛矿相优化和热机械稳定性的协同作用共同促进了这种SOFC复合阴极的出色电化学性能，并为未来的SOFC电极设计开辟了一条新路径。

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图1 c-SYNC的性质和形成机理

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图2 c-SYNC的热膨胀行为和电化学性能

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图3 热循环和机理示意图

Zhang, Y., Chen, B., Guan, D. et al. Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes. Nature 591, 246–251 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03264-1

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