质子电池遇难题？纳米电极有高招

大家好！今天一起来了解质子陶瓷电化学电池。质子陶瓷电化学电池在发电和制氢方面潜力巨大，但它面临着电极活性和耐久性的难题。咱们就一起看看科研人员是如何巧妙解决这些问题的！

*本文只做阅读笔记分享*

一、质子陶瓷电化学电池的研究背景

高温固体氧化物电池（SOCs）能高效实现可逆的燃料电池和电解应用，可高温运行带来不少麻烦，比如快速降解、成本高昂和热不兼容等问题。

质子陶瓷电化学电池（PCECs，它能在较低温度（350-500°C）下工作，凭借高质子电导率、良好材料兼容性和有利的电极反应动力学，展现出更高的可靠性、能源效率和成本效益，在发电和制氢领域前景广阔。

不过，降低PCEC的运行温度，就需要氧气电极具备快速反应活性，以降低电极极化电阻，这可是个不小的挑战。

二、纳米结构超多孔电极的设计与制备

为了应对挑战，科研团队研发出了纳米纤维结构超多孔（NAUP）电极。制备这个电极时，用天然棉网当模板，把它浸在三导电的PrNi0.7Co0.3O3−δ（PNC73）酒精溶液里2小时，吸饱料后，颜色会从白色变成深绿色。

接着，把浸好的棉网放在两块铝板中间，在750°C烧结3小时，就得到了黑色的NAUP纺织电极，再切成0.178cm2的小块作为功能电极层。之后，用PNC73墨水把电极粘到电解质表面，经过干燥和1000°C的二次煅烧，电极就制备好啦。

从扫描电子显微镜（SEM）图像能看到，电极的多孔结构非常明显，还有利于质量和电荷转移的通道。能量色散X射线光谱（EDS）映射图像显示，电极中各种元素分布很均匀。而且，这种电极的孔隙率在50%左右，是电化学性能的最佳状态。

三、电极结构对极化电阻的影响

电化学性能和电池各组件的极化电阻紧密相关，欧姆电阻（Ro）和极化电阻（Rp）是评估材料和微观结构的关键参数。研究人员通过系统研究全电池的阻抗谱，分析NAUP电极对极化电阻的协同效应。结果发现，NAUP电极的Ro值能降到0.2Ωcm2以下，Rp也比传统粉末填充的PNC73电极大幅降低，只有其40%。

分布弛豫时间（DRT）分析表明，NAUP电极在不同频率区域的表现都很出色，纳米级的超多孔结构显著增强了传质，优化了氧表面交换，提高了电荷转移效率。而且，NAUP电极的活化能也降低了，这都归功于其增强的反应动力学、优化的孔隙率和纳米级催化剂的特性。

四、燃料电池和蒸汽电解模式下的卓越性能

研究人员对NAUP-PNC全电池在燃料电池和电解模式下的性能进行了系统测量。和传统粉末填充电极的电池相比，NAUP-PNC全电池的性能提升太明显啦！在600°C的燃料电池模式下，峰值功率密度从0.906Wcm−2提高到了1.501Wcm−2，提升了58%；在600°C、1.60V的蒸汽电解模式下，电流密度从3.36Acm−2提高到了5.04Acm−2，提升了150%。

改变蒸汽和氧气分压的实验还发现，NAUP电极对这些变化的适应性很强。和其他研究相比，NAUP-PNC电池在燃料电池和蒸汽电解模式下的性能都有显著优势，法拉第效率和能量效率也很高，这表明用它来制氢可行性超高。

五、各种降解测量中的电化学性能耐久性

这个研究用的电极成分是很有潜力的三导电氧化物（TCO）材料，不含碱土金属，质子电导率还特别高。科研人员对NAUP结构电极在各种瞬态条件下的性能耐久性进行了系统测试。

在恒压测试中，1.30V下电解50小时，再切换到1.40V电解55小时，电流密度下降幅度极小。在可逆模式测试中，电压在1.3V和0.7V之间切换，电流密度能迅速响应，而且降解率很低。

在加速瞬态测试中，无论是阶跃电压还是基于时间间隔的测试，NAUP-PNC全电池都表现出了强大的稳定性，这说明它在工业规模应用上很有潜力。

六、热循环下NAUP电极的结构弹性

固体氧化物电池在运行过程中经常会经历加热和冷却的热循环。科研人员对NAUP结构在不同瞬态热循环条件下的耐久性进行了全面评估。实验发现，在600°C时，经过四个热循环，燃料电池和电解模式下的电流密度降解都非常小，分别只有1.76%和1.12%。

不过，热循环也会让电极极化电阻有所增加，这主要是因为热条件波动导致的机械应力影响了电极和电解质之间的结合。但总体来说，NAUP-PNC全电池在热循环下还是展现出了不错的稳定性。

七、讨论与总结

将纳米结构电极应用到PCECs中，对提高电化学性能的有效性和可靠性至关重要。研究中制备的NAUP结构成功解决了合成复杂性、活性、气体传输以及耐久性等多方面的问题。这种模板辅助的一步法制备的三导电电极，能同时提高活性和耐久性。NAUP-PNC73全电池在可逆操作中性能卓越，峰值功率密度更高，总电阻更低，耐久性更强，适合集成到先进的固体氧化物系统中。而且，这种纳米级、高孔隙率的电极结构，有望为其他电化学材料和器件带来新的发展机遇。

八、一起来做做题吧

1、关于质子陶瓷电化学电池（PCECs），下列说法正确的是？

A.PCECs在高温下具有高能量效率和可靠性能

B.PCEC面临的技术挑战主要是电极活性和耐久性在低电流密度下的问题

C.PCECs因电解质的高质子电导率等优势适合低温操作

D.降低PCEC运行温度对氧气电极反应活性要求不高

2、在制备纳米纤维结构超多孔（NAUP）电极时，使用天然棉网的目的是？

A.为电极提供颜色变化

B.作为模板促进电极成分的自组装合成

C.增加电极的导电性

D.使电极具有更好的柔韧性

3、关于NAUP电极对极化电阻的影响，下列说法错误的是？

A.NAUP电极能使欧姆电阻（Ro）值降到0.2Ωcm2以下

B.NAUP电极的极化电阻（Rp）比传统粉末填充的PNC73电极大

C.NAUP电极在不同频率区域都能增强传质、优化氧表面交换和提高电荷转移效率

D.NAUP电极降低了活化能，提升了反应动力学

4、在燃料电池和蒸汽电解模式下，NAUP-PNC全电池与传统粉末填充电极的电池相比，表现为？

A.在燃料电池模式下，峰值功率密度更低

B.在蒸汽电解模式下，电流密度更低

C.在燃料电池模式下，峰值功率密度显著提高，蒸汽电解模式下电流密度也显著提高

D.在两种模式下，性能提升不明显

5、在评估NAUP-PNC电极的耐久性时，以下哪种测试能体现其在不同电压下的适应性？

A.恒压测试

B.可逆模式测试

C.加速瞬态测试中的阶跃电压测试

D.热循环测试

参考文献：

Zheng, S., et al. Enhancing surface activity and durability in triple conducting electrode for protonic ceramic electrochemical cells. Nat Commun 16, 4146 (2025).