引言

近年来，随着全球化石能源的大量消耗，降低碳排放已成为需要解决的重要问题。对此，我国提出了“碳达峰”、“碳中和”的战略目标。可再生能源的开发和二氧化碳的捕集利用是推动双碳目标达成的重要手段。氢能可以作为可再生能源的能量载体；二氧化碳的利用则可以作为自然界碳循环的有力补充。为了促进能源体系清洁、高效化发展，与氢能和二氧化碳利用相关的新型能源转化装置和技术亟待开发与推广。高温固体氧化物燃料电池（SOFC）和电解池（SOEC）可以实现热能、电能和化学能之间的转化，具有高温装置的独特优势，已经被开发应用于制氢和碳利用领域。

相比于碱性电解池、质子交换膜电解池等低温电解装置，SOFC和SOEC技术可以利用高温热能来降低装置对电力的需求、提高电解速率和能量转化效率。SOFC和SOEC技术与钢铁冶金、化工、核电等低品位余热结合，能够有效降低电力成本，实现高效经济的能量转化。SOFC和SOEC使用固体电解质，避免了液态电解质会引起的蒸发、腐蚀和产物不易分离等问题。

然而，目前的SOFC和SOEC电极材料在高温、高湿、高电流密度的反应条件下仍然面临着寿命较短、成本较高等问题；对于SOFC和SOEC在不同化学反应场景下的性能开发也尚显不足。本文总结了瑞士洛桑联邦理工学院胡喜乐院士、华南理工大学陈宇教授、江苏科技大学姜姗姗苏超、南京工业大学郑益锋教授、中国科学院大连化学物理研究所宋月锋、韩国科学技术研究院Kyung Joong Yoon教授、中国科学院大连化学物理研究所的包信和教授等课题组在SOFC和SOEC方面的最新研究成果。

1. Nano Research：原位组装的无钴PSFNRu纳米复合材料作为直接氨对称固体氧化物燃料电池的双功能电极

SOFC因燃料适应性广、能量转换效率高及环境友好等优点，被视为绿色能源转换的重要技术。其中，对称SOFC（SSOFCs）凭借阳极与阴极材料相同所带来的热匹配性好、结构简化和成本低等优势，受到广泛关注。氨气作为一种无碳、富氢燃料，具有能量密度高、储运方便等特点，是SOFC的理想燃料之一。但目前广泛应用的镍基电极材料在氨气中易发生低温团聚，导致催化活性下降、结构不稳定，从而限制了电池性能。钙钛矿氧化物因组成可调、结构稳定，被广泛用于SOFC电极研究，然而其对氢氧化反应（HOR）和氨分解反应（NDR）的催化活性有限。因此，开发兼具高催化活性与优异稳定性的双功能电极材料，是推动直接氨SSOFCs（DA-SSOFCs）发展的关键。

鉴于此，江苏科技大学姜姗姗苏超等人采用简便的掺杂策略构建了原位组装的无钴Pr_0.32Sr_0.48Fe_0.75Ni_0.2Ru_0.05O_3-δ（PSFNRu）纳米复合材料，作为DA-SSOFC的双功能电极，显著提升了氧还原反应（ORR），HOR和NDR的催化活性，同时实现了优异的电化学性能。

本文要点：

1) 对PSFN与PSFNRu样品在10 vol.% H2-Ar还原气氛处理前后进行了分析，发现经800°C的10 vol.% H2-Ar混合气处理后，PSFNRu原始结构转变为I4/mmm空间群的Ruddlesden-Popper（RP）钙钛矿（记为RP-PS(FNRu)），并伴随FeNiRu金属合金的原位溶出。通过XPS分析发现，Ru掺杂使未还原样品中B位元素价态降低，这源于高价Ru取代Fe后为维持电荷平衡引发的自发还原。同时Ru掺杂诱导了更多氧空位形成，有利于氧离子传导与表面交换；

2) 在空气气氛中，PSFNRu在650、700、750和800°C下的ASR值分别为0.090、0.046、0.026和0.016 Ω·cm²，均低于PSFN（0.104、0.052、0.030和0.020 Ω·cm²）。更低的ASR值表明其具有更优异的氧还原反应（ORR）活性。通过DRT技术解析ORR动力学过程，700°C测试显示四个特征峰分别对应气体扩散、阴极体相内离子传输/表面交换以及阴极-电解质界面离子传输与电荷转移。Ru掺杂使F1-F3峰面积显著减小，证明PSFNRu在气体扩散、氧表面交换能力和氧离子传导方面均有提升；

3) 因此，采用PSFNRu|SDC|PSFNRu结构的DA-SSOFC在800°C下实现了547 mW·cm^-2的峰值功率密度，并表现出良好的运行稳定性（电压衰减率仅0.00048 V·h^-1）。

Zhixian Liang, et al., In-situ assembled cobalt-free PSFNRu nanocomposites as bi-functional electrodes for direct ammonia symmetric solid oxide fuel cells. Nano Res., doi: 10.26599/NR.2025.94907402.

2. Nature：封装的Co-Ni合金促进高温CO₂电还原

低温CO₂电解技术（如膜电极组件MEA等）因生成碳酸盐和系统能效低（<35%）难以规模化应用，而高温二氧化碳（CO₂）电还原技术可以通过SOEC将CO₂高效转化为一氧化碳（CO），是能源存储与碳循环利用的重要途径。然而，现有SOEC催化剂在工业级电流密度（如1 A cm^-2）和高温（≥800°C）条件下存在显著缺陷：能量效率通常低于70%，寿命不足200小时，且易因金属颗粒团聚和积碳问题导致性能衰减。传统催化剂设计（如纯金属、金属-氧化物复合物或负载型金属）往往难以实现催化活性与稳定性的平衡。例如，贵金属基催化剂虽寿命较长，但成本高昂且需低电流密度运行；非贵金属催化剂虽成本低，但稳定性差。因此，开发兼具高活性、长寿命且经济可行的高温CO₂电还原催化剂成为关键挑战。

鉴于此，瑞士洛桑联邦理工学院胡喜乐院士等人开发了一种封装Co-Ni合金形成的双位点反应机制，通过Sm2O₃掺杂的CeO₂（SDC）封装Co-Ni合金，抑制金属团聚并增强界面反应，并将这一材料应用于SOEC高温催化CO₂电还原的反应中，实现了在800°C、1 A cm^-2条件下的90%能效和2000小时超长寿命，同时CO选择性接近100%、单程产率达90%。这项工作揭示了金属-SDC界面与合金位点的协同作用，为设计高效高温催化剂提供了新思路。与现有技术相比，该系统的性能与经济性显著领先，具备工业化应用潜力，为可再生能源存储与碳循环技术迈出关键一步。

本文要点：

1) 相比于传统纯金属或金属-氧化物复合材料的SOEC催化剂因界面不足、颗粒团聚、积碳等问题影响反应性能，本文提出的封装Co-Ni合金催化剂通过SDC层包裹金属核心，形成丰富的界面，有效抑制金属烧结并促进CO₂吸附。封装结构使催化剂寿命从≤200小时延长至2000小时，电流密度提升16倍以上；

2) Co_0.5Ni_0.5@SDC在1.1 V电压下即可达到1.0 A cm^-2的电流密度，显著优于非封装合金（Co_0.5Ni_0.5-SDC）和单一金属催化剂（Ni@SDC）。能效分析表明，在1 A cm^-2下，封装催化剂的能量效率高达90%，而非封装样品仅为75%。长期稳定性测试进一步验证了封装结构的优势：Co_0.5Ni_0.5@SDC在2000小时运行中电压仅从1.10 V升至1.20 V，而非封装催化剂在800小时内电压飙升60%，并伴随积碳导致的性能衰退； 

3) XPS和XANES分析表明，封装催化剂表面金属含量（15%）显著低于体相（80%），证实SDC层有效隔离金属颗粒，抑制表面氧化；同时，合金化使Co和Ni的氧化态更稳定。长期性测试后的表征显示，封装催化剂的金属颗粒尺寸仅增长<15%，而非封装样品增长60%-100%。以上数据表明，封装与合金化的协同效应是高效稳定运行的核心； 

4) 在CO₂和CO气氛下进行了原位电化学阻抗谱（EIS）测试及弛豫时间分布（DRT）分析。结果表明，Co_0.5Ni_0.5@SDC的界面反应动力学最优，同时最佳配比的Co-Ni合金不仅增强了CO₂的吸附与活化，还能适度调控CO的活化，提升催化活性。

5) DFT计算表明，金属@SDC界面是CO₂吸附的主要位点，其吸附能显著优于单一金属或氧化物；而CO吸附更倾向于金属位点，Co-Ni合金的引入可以削弱CO结合能、抑制积碳。

W. Ma, et al, Encapsulated Co-Ni alloy boosts high-temperature CO₂ Electroreduction, Nature, 2025, DOI: 10.1038/s41586-025-08978-0.

3. Advanced Functional Materials：微量镍掺杂增强固体氧化物燃料电池正极氧还原活性

SOFC因其高能量转换效率和燃料灵活性，被认为是最具前景的可持续能源系统之一。阴极氧还原反应（ORR）是决定SOFC电化学性能的关键反应，因此研究人员针对阴极材料开展了大量持续研究以满足特定要求：高离子/电子电导率、优异的电催化活性、长期运行稳定性，以及与电解质相匹配的热膨胀系数。

具有ABO₃结构的钙钛矿氧化物材料因其出色的ORR电催化活性和氧离子/电子传导能力，数十年来一直被用作SOFC阴极。由于钙钛矿材料的ORR活性和氧离子/电子传导性能与A位碱土金属阳离子及B位过渡金属阳离子密切相关，通过调整ABO₃结构中的阳离子即可调控其电化学性能。随着SOFC的发展，对阴极材料提出了更高要求：更强的ORR活性、更快的电荷转移能力，以及更好的抗污染（如Cr、B、S等）耐受性。为开发满足这些要求的阴极材料，研究者采用了多种策略。其中掺杂是有效手段之一，通过部分取代ABO₃结构中A/B位阳离子可调控电化学性能。

鉴于此，华南理工大学陈宇教授等人成功合成了一种新型掺镍阴极材料，其详细组成为Pr_0.5Ba_0.4Ca_0.1Co_1-xNi_xO_3-δ（PBCCNix,x=0, 0.0125, 0.025）。不同的低Ni掺杂量优化了PBCCNi_0.0125表面的氧缺陷，增强了氧表面吸收和ORR活性。在本研究研究的阴极中，PBCCNi0_.0125表现出最好的催化ORR活性，在800°C时表现出低面积比电阻。

本文要点：

1) 通过XRD、透射电镜（TEM）和能谱（EDS）证实了Ni均匀掺杂在样品中，并且Ni取代导致PBCCNi_0.0125晶格产生轻微收缩；

2) 通过热重分析（TG）和碘量法测定氧非化学计量数（3-δ），证实Ni掺杂降低了SOFC工作温度下的氧缺陷浓度。Ni掺杂加速了氧表面吸附/解离过程，使PBCCNi_0.0125的ORR性能得到改善。极低量的镍掺杂降低了PBCCNi_0.0125的氧缺陷浓度，这反而优化了氧缺陷浓度，增强了氧表面吸收，从而提升了ORR活性。同时室温下氧表面吸附能力的轻微提升共同改善了阴极性能；

3) 应用于Ni-YSZ/YSZ/GDC单电池时，其峰值功率密度达1.72 W cm⁻²（800℃），显著高于未掺杂PBCC阴极的1.29 W cm⁻²。这一特殊现象可能源于Ni掺杂优化了氧缺陷浓度，从而提升了ORR活性。200 h的工作试验证明了PBCCNi_0.0125阴极在SOFCs工作条件下具有较好的稳定性，电压衰减仅为8.25%。

Depeng Zeng, et al.Oxygen Reduction Activity Enhancement of Solid Oxide Fuel Cell Cathode via a Tiny Amount of Ni Doping. Advanced Functional Materials, DOI: 10.1002/adfm.202505591.

4. Advanced Energy Materials：熵和组成调控使空气电极高效催化氧还原和发生反应以实现可逆固体氧化物电池的稳定运行

随着全球能源危机的加剧和环境污染问题的日益严重，寻找和开发可持续的能源解决方案变得尤为迫切。其中，高效的能量转换和存储技术是实现这一目标的关键。可逆固体氧化物电池（R-SOCs）作为一种能够在燃料电池模式下直接从多种化学燃料中产生电能，同时在电解模式下存储间歇性能源并产生氢气和高附加值燃料的电化学装置，受到了广泛关注。然而，R-SOCs在中等温度范围（600-800°C）下运行时，空气电极侧的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）的电催化活性和可逆操作能力较差，导致电池性能显著下降。因此，开发在中等温度下具有高ORR/OER活性和良好电化学稳定性的空气电极对于实现商业化的R-SOCs至关重要。在过去的二十年中，具有独特结构特性和巨大目标性质定制潜力的高/中熵材料，在耐磨/耐腐蚀涂层、热和机械应用、催化剂以及能量存储/转换等领域引起了广泛关注。特别是，钙钛矿氧化物（通常用作R-SOCs的电极/电解质材料）包含多个阳离子位点，为高/中熵掺杂提供了更多的设计可能性。

鉴于此，华南理工大学陈宇教授等人通过调控构型熵和组成比例，成功构建了一系列从低熵到中熵的空气电极，并对其进行了电化学评估。研究发现，掺杂元素的选择对于提高空气电极的电催化活性和稳定性可能比构型熵的增加更为重要。特别是，经过熵和组成优化的中熵Pr_1/2Ba_1/6Sr_1/6Ca_1/6CoO_3-δ（PBSCC）空气电极展现出了最低的面积比电阻（ASRs）和卓越的稳定性。

本文要点：

1) 理想的可逆固体氧化物电池空气电极需兼具高离子/电子电导率，这与元素化学态及氧空位浓度密切相关。比较不同样品的XPS O 1s谱分峰结果，三个特征峰分别对应晶格氧（O_lattice）、吸附氧（O_ad）和表面吸附水（H₂O_ad）。PBSCC的O_ad/O_lattice比值最高，表明其室温下具有更高的表面氧空位浓度，这有利于提升氧吸附/解离能力；

2) 通过化学滴定结合热重（TG）曲线，测量并比较了不同构型熵样品在室温和高温下的氧空位浓度。结合室温δ值，计算了高温下三种样品的氧空位浓度，发现高构型熵的PBSCCNC具有最高氧空位浓度，其次是PBSCC。

该电极在R-SOCs中展现出了卓越的电催化活性，低至0.037 Ω cm²的ASR值，以及在电池模式下2.01 W cm⁻²的峰值功率密度和在电解模式下1.40 A cm⁻²的电流密度，同时在双模式下展示了超过115小时的循环操作稳定性。研究结果强调了在材料设计中考虑熵调控和组成选择的重要性，为实现高效能量转换和存储技术提供了有力的科学支持。

Feng Zhu, et al.Entropy and Composition Regulations of Air Electrodes Enable Efficient Oxygen Reduction and Evolution Reactions for Reversible Solid Oxide Cells. Advanced Energy Materials, DOI: 10.1002/aenm.202401048.

5. Journal of Materials Chemistry A：一种高效耐用的钙钛矿基燃料电极：原位生长纳米颗粒提升 SOECs的CO₂电解性能

SOEC因其在高温（600-800°C）下快速的电极动力学和较高的CO₂转化效率而备受关注。SOEC不仅是一种碳中和技术，还为储存多余电能和废热提供了可持续途径。然而，SOEC的性能很大程度上依赖于燃料电极材料的开发。传统的Ni/YSZ燃料电极在直接CO₂电解条件下存在氧化还原不稳定性和抗积碳能力差的问题。相比之下，钙钛矿氧化物La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O₃（LSCM）因其优异的氧化还原稳定性、抗积碳和抗硫中毒性能而成为有潜力的替代材料。但LSCM的催化活性较低，限制了其实际应用。

鉴于此，南京工业大学郑益锋教授等人报道了一种通过原位生长LaCo_0.6Ni_0.4O_3−δ（LCN）纳米颗粒修饰的LSCCM-GDC（La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O₃-Gd掺杂CeO₂）基燃料电极，用于SOEC中CO₂的高效电解。LCN的引入显著提升了电极的电化学性能，在800°C和开路电压（OCV）下，电极极化电阻降低了69%。此外，燃料电极的稳定骨架结构和多组分的协同效应使其在CO₂还原过程中表现出优异的耐久性。此研究不仅为LSCM基燃料电极的修饰提供了新思路，还为构建具有多传输通道的强结合活性界面提供了有效途径。

本文要点：

1) 通过真空浸渍法在LSCCM-GDC复合层表面原位形成了纳米尺寸的LCN催化剂。电镜下可观察到三种不同尺寸的颗粒：平均粒径约3μm的LSCCM颗粒、1μm左右的GDC颗粒以及100nm级别的LCN纳米颗粒。这种多尺度分布的孔隙结构和颗粒尺寸有利于形成连续的气体扩散通道和扩展的三相反应边界；

2) XPS谱图通过分峰拟合定量分析了不同氧物种的含量变化，发现LCN修饰后表面吸附氧的比例明显增加，这些高活性的O⁻/O²⁻物种有利于CO₂的吸附活化。CO₂-TPD测试结果揭示了材料表面CO₂吸附特性的变化：与未修饰的LSCCM-GDC相比，LCN/LSCCM-GDC在600℃附近出现了一个新的强脱附峰，这归因于LCN/LSCCM-GDC界面处形成的特殊化学吸附位点；

3) 通过比较不同LCN负载量对电极极化电阻（Rp）的影响，发现在800℃和开路条件下，15 wt% LCN/LSCCM-GDC的Rp最低（5 Ω cm²），比未修饰电极降低了68.7%。通过DRT方法分析发现LCN主要促进了CO₂的吸附解离和产物扩散过程；

4) 单电池测试显示，LCN/LSCCM-GDC燃料电极在800°C和1.6 V条件下的电解电流密度比未修饰的LSCCM-GDC提高了103%。性能的提升归因于LCN修饰后CO₂化学吸附能力的增强、导电性的提高以及氧表面交换的加速。经过80h稳定性测试后，拉曼光谱在1338 cm⁻¹（D带）和1568 cm⁻¹（G带）附近没有检测到特征峰，证明电极表面没有积碳形成，这解释了材料优异的长周期稳定性；

Qian Bin, et al., An active and robust La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O₃-based fuel electrode coated with in situ grown nanoparticles via electron conduction and oxygen exchange enhancements for solid oxide electrolysis cells. Journal of Materials Chemistry A, doi: 10.1039/d5ta01999k.

6. Journal of the American Chemical Society：强金属载体相互作用诱导原子级分散Ru物种用于电化学甲烷重整

SOEC在将CO₂直接转化为CO或其他有益环境的绿色化学品方面表现出色。甲烷辅助的SOEC最近引起了极大关注，因为它们能够通过用有利的甲烷电氧化反应取代迟缓的析氧反应，从而降低CO₂电解的能量需求。通入的CH₄消耗氧物种可显著降低阳极氧分压，并降低SOEC的开路电压（OCV），从而加速阳极反应动力学，在降低能量需求的同时增强CO₂电解性能。

钌（Ru）作为CH₄重整的重要催化剂，表现出高比活性。然而，其高成本和稀缺性要求通过制备原子级分散的Ru催化剂来实现Ru物种的最优化和充分利用。与纳米尺度催化剂相比，单分散催化剂通常具有配位不饱和性，对反应物分子具有独特的吸附能力，并能提升催化性能。尽管开发了多种制备单原子催化剂的策略（如原子层沉积等），但制备热稳定单原子催化剂的挑战依然存在，这在针对多孔SOEC阳极的内表面时尤为突出。氧化分散法最近被应用于通过强共价金属-载体相互作用将单原子催化剂锚定在可还原氧化物表面。

鉴于此，中国科学院大连化学物理研究所宋月锋副研究员、汪国雄研究员、包信和院士，佐治亚理工学院刘美林教授，提出通过电化学重整CH₄来显著降低SOEC阳极的氧分压，从而降低OCV，使得CO₂电解的能耗从3.12 kWh/m³降低至0.11 kWh/m³。此外，论文开发了一种在阳极表面锚定原子分散的Ru单原子催化剂的新方法，提升了600°C下CH₄重整反应的活性和稳定性，实现90%的CO选择性并可稳定运行300小时。

本文要点：

1) 利用强金属-载体相互作用（SMSI），在静态空气中高温煅烧阳极粉末和商用RuO₂粉末的物理混合物，将阳离子单原子Ru锚定在多孔可还原的La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3−δ（LSCF）与Ce_0.8Sm_0.2O_2−δ（SDC）复合载体的阳极表面，以实现优异的CH₄重整催化反应性能（CO选择性达到90 %）和稳定性（300 h），性能比Ru纳米粒子或者体相掺杂Ru的材料更高；

2) 应用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）、原位高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）等技术研究了RuO₂随温度变化的分散过程。结果证实，通过在900°C下煅烧2小时诱导的强金属-载体相互作用，阳离子单原子Ru成功锚定在LSCF-SDC阳极表面；

3) X射线近边吸收结构（XANES）和扩展X射线吸收精细结构谱（EXAFS）被用于比较常温下和900度煅烧后样品中分散Ru物种的电子结构和配位环境，揭示了分散的Ru物种与LSCF载体中的B位原子之间存在强相互作用。傅里叶变换EXAFS显示900度煅烧后的样品没有Ru-Ru配位壳层，进一步说明Ru物种的原子级分布；

4) 当CH₄通入阳极后，SOEC的开路电压（OCV）从0.15 V急剧下降至-1.01 V。这种OCV的大幅降低显著降低了CO₂电解的起始电压和极化电阻，极大地提升了其电化学性能。在POM辅助的SOEC中，在0.08 V和600°C条件下即可实现100 mA cm⁻²的电流密度和100%的法拉第效率，远低于传统SOEC所需的电压（1.30 V）。同时，该阳离子Ru单原子催化剂在600°C下表现出优异的POM性能和稳定性，优于浸渍的Ru纳米颗粒和掺杂的Ru物种；

5) 通过密度泛函理论计算揭示了钌单原子催化位点的独特作用。Ru原子通过与载体表面氧协同作用，降低了C-H键断裂的活化能，同时生成关键中间体，显著提高了POM反应活性并抑制了积炭形成。

Yuefeng Song, et al., Atomically Dispersed Ru Species Induced by Strong Metal–Support Interaction for Electrochemical Methane Reforming. Journal of the American Chemical Society, doi: 10.1021/jacs.4c10729.

7. Energy & Environmental Science：通过纳米级界面现象的直接成像揭示固体氧化物电解池的高温降解机制

当前制氢技术主要依赖化石燃料工艺，此类工艺虽具经济性，却带来沉重的环境负担。利用可再生能源驱动的电解水技术是生产清洁氢能的理想替代方案，但其高昂成本阻碍了实际应用。在多种电解技术中，SOEC具有高能量转换效率，并展现出与传统化石燃料工艺竞争的经济潜力。此外，SOEC能同步电解H₂O与CO₂，除氢气外还可生产多种燃料与化学品。因此，SOEC已成为清洁燃料和化学品生产最具前景的解决方案。然而，SOEC迄今尚未大规模应用或商业化，主要是由于退化问题。在电池和电池堆中已经报道了各种高温降解现象，包括空气电极的Cr中毒、空气电极与电解质的化学反应、燃料电极的Ni耗尽和金属连接体的氧化物水垢生长。其中，空气电极的分层被认为是最致命的，因为它可能导致整个SOEC系统灾难性的故障。空气电极的分层最早在1990年代被报道，从那时起，人们进行了大量的研究，但迄今为止，分层机制尚未阐明。

在SOEC运行过程中，氧离子(O²⁻)从燃料电极穿过电解质迁移到空气电极，并以O₂的形式释放出来。许多先前的研究已经解释了当O₂通过多孔电极的输送不够顺畅时，气体压力的积聚可能导致分层。由空气电极和电解质之间不良的化学反应形成的界面绝缘相的存在也被认为是分层的主要原因。外部施加电场是界面降解的另一个可能原因。空气电极材料在界面区域分解成纳米颗粒也会削弱界面粘附力。然而，由于传统分析技术的局限性，这些机制中的大多数都是假设的，没有确凿的证据。因此，有效的解决方案尚未建立，空气电极的分层仍然是SOEC技术商业化的关键障碍。

鉴于此，韩国科学技术研究院Kyung Joong Yoon教授等人利用先进的透射电子显微镜技术和密度泛函理论计算，揭示了发生在早期阶段的纳米级界面降解现象，阐明了分层的整个过程及其起源。

本文要点：

1) 首先采用8 mol%氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）粉体，通过模压成型法制备YSZ圆片，随后在1500℃下烧结5小时。所得圆片的直径约为8 mm，厚度约为3 mm。接着将商用(La_0.8Sr_0.2)_0.95MnO₃粉体（LSM）与溶剂、粘结剂和分散剂按特定比例混合制备LSM电极浆料。最后采用丝网印刷技术将LSM空气电极印刷在YSZ圆片的两侧，并在1150℃下烧结3小时完成制备。

2) 在700℃下施加1.5A cm⁻²的恒定电流，并测量电池电压随时间的变化。电压在最初~100小时内逐渐增加，然后随着操作的继续，以逐步方式不规则地激增。在大约220小时完全失效之前停止施加电流。用高倍率电镜对上述操作后的材料进行了表征，解释了不同位置的纳米级缺陷，表明空气电极的分层实质是伴随多重纳米孔洞形成的持续积累的渐进过程；

3) 进一步进行电镜观察和理论计算发现，在SOEC操作期间，大量氧离子向LSM空气电极迁移，但只有很少的氧离子被纳入LSM晶格。相反，大量的氧离子在YSZ电解液的界面处积累，导致晶体结构的改变和缺陷的产生。由于过量氧离子在立方YSZ体晶格中的结合是有限的，大量氧离子的涌入会形成位错和晶界，从而成为带电点缺陷的根源；

4) 本研究通过先进电子显微技术，揭示了电极-电解质界面处的多种物理化学变化，并通过直接观测晶体结构与缺陷特征，确定了界面薄弱区域。这一系统性认知将为后续研究提供理论指导。尽管工作电流密度增加会导致更多O²⁻积聚，但从经济效益角度考虑，高电流运行仍是理想选择。因此，必须开展进一步研究以防止高电流运行时氧气在以下两个敏感区域的积聚：电解质表面及电解质-电极界面。本研究的成果可拓展应用于理解各类先进电极材料（具有更复杂界面结构）的剥离机制，从而为界面特性优化和解决SOEC发展中的这一关键问题建立科学策略。

Haneul Choi, et al., Unveiling the high-temperature degradation mechanism of solid oxide electrolysis cells through direct imaging of nanoscale interfacial phenomena. Energy Environ. Sci., doi: 10.1039/d4ee00896k.

8. Joule：固体氧化物电解池阳极原位析出CoFe纳米颗粒用于高效稳定甲烷重整

利用可再生能源如风能、太阳能、地热能是减缓CO₂排放的最有效方法之一。SOEC技术因其优异的电效率、高的CO₂转化性能和稳定性，被认为是最具商业前景的电化学设备之一。传统SOEC中，阳极的氧化反应是一个四电子转移过程，比两电子转移的阴极CO₂还原过程受动力学限制更大。此外，阳极高氧分压需要大量外部能量驱动电解反应。甲烷（CH₄）可作为替代碳源，通过阳极部分氧化反应（POM）生成合成气（CO和H2），降低阳极氧化分压，提升CO₂电解性能。

传统的SOEC阳极材料——钙钛矿氧化物，由于缺乏金属活性位点，通常表现出有限的CH₄活化能力和较低的合成气选择性。近年来，利用原位析出策略在钙钛矿氧化物表面制备稳定金属纳米颗粒（NPs）的方法引起了广泛关注。在还原条件（还原气氛或阴极电势）下，金属离子从钙钛矿体相迁移至表面并成核形成NPs。得益于强金属-载体相互作用，这些均匀嵌在钙钛矿基体中的析出NPs不仅能提供新的催化活性位点，还可显著抑制NPs团聚，因而比浸渍法制备的NPs具有更优异的稳定性。特别值得注意的是，析出行为与B位过渡金属元素的析出能密切相关，该能量将决定析出NPs的粒径和数量密度，进而影响催化剂的活性。因此，通过调控B位组分的平均析出能，利用原位析出策略制备高密度、高稳定性的NPs，为设计SOEC阳极CH₄重整用高性能稳定催化剂提供了新思路。

鉴于此，中国科学院大连化学物理研究所的包信和教授等人设计了一系列Co/Fe共掺杂钛酸锶镧（La_0.6Sr_0.4Ti_0.3Fe_0.7-aCo_aO_3-δ，其中"a"取值为0、0.1、0.2和0.3，记为LSTFCx [x=0∼3]）作为阳极POM催化剂。结果表明，经H₂还原后的LSTFC2（LSTFC2-R）具有最高的CoFe合金NPs析出密度和最小平均粒径（7 nm），展现出卓越的阳极POM性能。

本文要点：

1) 通过优化Co/Fe比例调控B位组分平均析出能，控制阳极POM催化剂LSTFCx表面析出NPs的粒径和数量密度；

2) LSTFC2-R作为阳极POM催化剂的CH₄转化率达86.9%，CO选择性达90.1%，且在800°C下稳定运行1250小时后仍保持95%以上的CO选择性。与此同时，采用LSTFC2阳极的POM辅助SOEC体系，其CO生产的电能消耗从传统SOEC的3.46 kWh/m³显著降低至0.31 kWh/m³；

3) 使用X射线吸收近边光谱（XANES）和扩展X射线精细结构（EXAFS）光谱探究了LSTFC2-R中析出NPs的电子结构和配位环境。准原位XPS光谱显示，LSTFC2中的Fe和Co均以+2和+3价态存在，还原后Co³⁺和Fe³⁺浓度降低，伴随Fe⁰和Co⁰物种的出现。；

4) 物理化学表征和DFT计算揭示，CH₄可能在纳米粒子上裂解为H₂和焦炭，随后与溢流氧物种反应生成CO。

Yige Guo, et al., In situ exsolved CoFe alloy nanoparticles for stable anodic methane reforming in solid oxide electrolysis cells. Joule, doi: 10.1016/j.joule.2024.04.009.