2023年7月26-28日，Green Carbon首届编委会暨2023国际绿碳科学大会在青岛召开。Green Carbon编委、俄罗斯科学院固体化学与力学化学研究所所长Alexander Nemudry教授应邀出席。
在首届编委会上，Alexander Nemudry教授指出，编委会委员应充分支持期刊发展，要将自己团队的优秀科研成果投稿到Green Carbon期刊；同时，还应发挥编委在各自领域的影响力，向同行积极邀稿。
微管固体氧化物燃料电池研究进展
随着社会的发展和人口的增长，能源消耗日益加剧，导致CO₂排放量不断增加，进而引发气候变暖和海平面上升等一系列威胁人类生存的问题。为了应对这一挑战，减缓CO₂排放已迫在眉睫，能源利用必须向低碳能源转变。提高碳氢化合物燃料的利用效率、使用可再生能源和氢气替代化石能源，成为实现低碳能源的重要举措。固体氧化物燃料电池是一种重要的能源转化技术，具备广阔的应用前景。在本次邀请报告中，Alexander Nemudry教授详细介绍了固体氧化物燃料电池的原理、制备和性能提升策略。
固体氧化物燃料电池简介
固体氧化物燃料电池是一种直接的化学能-电能转化装置。根据电解质的类型，固体氧化物燃料电池可以分为质子传导型和氧离子传导型燃料电池。质子传导型燃料电池的工作机理是在阳极侧将氢气氧化生成氢离子，然后通过化学势梯度传递到阴极侧与氧气反应生成水。在这个过程中，电子通过外部电路转移产生电能。而氧离子传导型燃料电池的工作机理是在阴极侧将氧气还原生成氧离子，然后通过化学势梯度传递到阳极侧与氢气反应生成水。同样的，电子也通过外部电路转移产生电能。固体氧化物燃料电池无需经历化学能-热能-机械能-电能的多步转化过程，即可直接将化学能转化为电能，从而有效提高电池的能源利用效率。然而，固体氧化物燃料电池存在操作温度高导致的起-停时间问题，以及材料的机械和化学相容性问题。
固体氧化物燃料电池可以按照载体支撑的类型进行分类，包括电解质支撑型、阳极支撑型、阴极支撑型、基底支撑型和金属支撑型燃料电池。这些载体提供了燃料电池所需的机械强度。特别是电解质支撑型燃料电池，通过减小电解质的厚度，可以提高燃料电池的功率密度。此外，固体氧化物燃料电池还可以按照其形貌进行分类，包括平板型、管状型和微管型（直径小于5mm）。平板型燃料电池是为了降低电阻而进行的最优化设计，可以实现最高的功率密度。然而，在考虑到热循环过程中的开启速率、密封难易性和稳定性等因素时，管状固体氧化物燃料电池更为适用。而微管型燃料电池在单位质量和体积内高能量密度、良好的热循环稳定性、快速启动速度和高机械稳定性等方面具有得天独厚的优势。
微管固体氧化物燃料电池制备
对于微管固体氧化物燃料电池的制备过程，首先使用相转化法制备微管阳极支撑型固体氧化物基底（图1）。随后，对基底进行浸涂功能层，包括阳极功能层、阴极功能层、电解质层和缓冲层等（图2）。最后，经过烧结处理，即可获得完整的微管固体氧化物燃料电池（图3）。
图1 相转化法制备基底
图2 浸涂法负载功能层
图3 煅烧制备一体化微管固体氧化物燃料电池
微管固体氧化物燃料电池性能提升策略：阴极掺杂及材料耦合
降低电解质厚度有助于实现中低温操作，但同时会降低阴极界面的氧气交换速率，导致阴极电极的极化加剧，降低电池的性能。因此，开发具有高氧离子交换系数的阴极材料是必不可少的。在2003年至2019年期间，Alexander Nemudry教授团队提出了高价阳离子掺杂方法，以提高氧气交换速率和阴极材料的抗CO₂腐蚀性能。通过引入Mo离子可以显著提高 Ba0.5Sr0.5Co0.75Fe0.2Mo0.05O3-d (BSCFM5)材料的界面氧交换速率，并且优于 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-d (LSCF)材料。I-V曲线测试结果表明，以BSCFM5作为阴极材料的电池，其功率密度明显高于以LSCF为阴极材料的电池。基于以上实验结果，Alexander Nemudry教授团队提出了一种结合不同材料优势的阴极材料构建策略：使用BSCFM5作为阴极功能层，可以加快表面的氧交换速率，降低极化电阻；而使用LSCF作为阴极集流层，可以降低阴极材料的欧姆电阻。这种材料的耦合协同作用显著提升了电池的电子电导和氧离子电导，从而提高了电池的性能（如图4所示）。
图4 材料耦合协同促进电子电导、氧离子电导提升电池性能
Alexander Nemudry 教授
Alexander Nemudry教授，俄罗斯科学院固体化学与力学化学研究所所长、俄罗斯科学院通讯院士、亚太材料科学院院士、Green Carbon期刊编委。主要从事纤维增强纳米复合材料、纳米结构陶瓷、具有氧离子-电子混合导电性的氧化物性能等方面的研究，已在Chem. Mater.，Chem. Eng. J.，Solid State Ionics和J. Membr. Sci.等期刊发表论文140余篇。担任Chemistry for Sustainable Development杂志副主编、Journal of Solid State Electrochemistry客座编辑，荣获俄罗斯科学院荣誉证书（2017年）、俄罗斯科学院西伯利亚分院荣誉证书（2019年）以及新西伯利亚州州长荣誉证书（2019年）。
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