高性能LSCF-BZCY-PrO2纳米复合多相阴极的构建及其在质子陶瓷燃料电池中的电化学性能优化

为解决质子陶瓷燃料电池（PCFCs）阴极材料在中低温条件下氧还原反应（ORR）动力学缓慢的问题，河南科技大学团队通过原位溶出法合成BZCY-PrO2纳米杂化颗粒，与La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）复合构建LSCF-xBZCY-PrO2多相阴极。最优比例（x=10）的阴极在650°C下极化电阻（Rp）低至0.268 Ω cm2，峰值功率密度（PPD）达0.52 W cm?2，较传统LSCF-BZCY性能提升53%，为PCFCs阴极材料设计提供了新策略。

　　

全球能源转型背景下，质子陶瓷燃料电池（PCFCs）因其在350-650°C中低温区间的高效质子传导特性备受关注，但阴极氧还原反应（ORR）动力学缓慢严重制约其性能。传统La_0.8Sr_0.2Co_0.2Fe_0.8O_3-δ（LSCF）阴极在650°C以下时极化电阻激增，如何通过材料创新突破这一瓶颈成为研究热点。河南科技大学车辆与交通工程学院的研究团队独辟蹊径，将具有优异氧表面交换动力学的PrO₂与BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.2O_3-δ（BZCY）通过原位溶出法构建纳米杂化颗粒，进而开发出LSCF-xBZCY-PrO₂系列复合阴极，相关成果发表于《Applied Surface Science Advances》。

研究采用溶胶-凝胶法制备BZCY电解质粉末，通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征材料结构，结合电化学阻抗谱（EIS）和弛豫时间分布（DRT）分析反应机制。关键突破在于创新性地采用Pr(NO₃)₃·6H₂O作为前驱体，在还原气氛中原位生成PrO₂纳米颗粒，避免了传统浸渍法的复杂工艺。

结构表征与微观形貌
XRD证实BZCY-PrO₂复合材料无杂质相，PrO₂以Fm-3m空间群结构均匀分散。SEM显示x=10的样品具有最优纳米结构，BZCY颗粒表面密集分布20-50 nm的PrO₂颗粒，形成"葡萄串"状异质结构，比表面积达11.6 m² g^?1，为ORR提供丰富活性位点。

电化学性能
在650°C测试中，LSCF-10BZCY-PrO₂阴极表现出最低极化电阻（0.268 Ω cm²），较传统LSCF-BZCY降低47%。单电池测试显示其峰值功率密度达0.52 W cm^?2，且能稳定运行100小时。XPS分析揭示Pr³⁺/Pr⁴⁺氧化还原对加速氧空位形成，DRT证实复合阴极将氧吸附-解离过程的特征频率从8.21 Hz提升至25.43 Hz。

这项研究通过精准调控BZCY与PrO₂的比例（20:1至5:1），证实x=10时形成最优纳米结构协同效应：PrO₂提供催化活性中心，BZCY保障质子传导，LSCF维持电子传输。该策略不仅简化了传统纳米电极的制备流程，更通过多相界面工程将反应区域从传统的三相边界扩展至整个电极体相，为开发新一代中低温燃料电池阴极材料提供了普适性设计思路。