近日，景德鎮陶瓷大學材料科學與工程學院與澳大利亞科廷大學等單位合作，在可逆固體氧化物電池直接碳氫燃料應用方面取得突破性進展。研究成果以“Mutual dissolution and exsolution enables superior coking resistance of cermet fuel electrode”（互溶解/出溶實現具有優異抗積碳性能的金屬陶瓷燃料極）為題，發表于國際知名學術期刊《Chemical Engineering Journal》（中科院大類一區Top，Impact Factor: 13.4）。研究發現，以超細氧化鎳作為原料，通過創新的相互溶解/出溶策略成功將傳統的鎳基金屬陶瓷轉化為一種高效燃料電極，顯著提升了其抗積碳性和電催化活性（圖1）。我校程亮副研究員與北京懷柔實驗室周玉存研究員為該文章共同第一作者，我校羅凌虹教授、王樂瑩副教授和澳大利亞科廷大學邵宗平教授為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金以及江西省自然科學基金等項目的資助和支持。

可逆固體氧化物電池（Re-SOCs）作為一種最有前途的清潔能源技術，在燃料電池模式下工作時表現出很高的能源效率和很大的燃料靈活性，在與可再生能源（如風能和太陽能）相結合以電解槽運行時，可用于從水或二氧化碳（CO2）中產生綠色燃料。然而傳統的鎳基燃料電極應用于碳氫燃料發電和二氧化碳電解時存在嚴重的積碳問題。在本工作中，研究團隊采用超細氧化鎳作為原料，通過簡單的“球磨-煅燒”工藝實現YSZ與NiO的相互溶解。與常規粗NiO粉末相比，超細NiO粉末能夠增加YSZ與NiO之間的接觸面積，使YSZ在NiO中的擴散距離更短，更利于其溶解。在隨后還原過程中，形成了由鎳納米顆粒修飾的 YSZ 以及氧化鋯納米顆粒/薄膜修飾的塊體鎳復合材料（見圖2）。采用密度泛函理論（DFT）計算出溶解于NiO晶格中的Zr原子，是以取代Ni位并伴隨Ni空位產生的構型更為穩定。通過X射線吸收精細結構光譜（XANES）對比分析不同NiO基氧化物，結果表明采用簡單的“球磨-煅燒”工藝，YSZ和NiO的相互溶解可能只發生在顆粒的近表面區域，進一步驗證了采用超細NiO原料最大化促進相互溶出的重要性。

將經“球磨-煅燒”工藝后的NiO+YSZ粉體應用于固體氧化物電池中制備燃料電極。圖3顯示以LSCF鈣鈦礦作為空氣電極的單電池在750℃、H2下，最大功率密度高達0.97 W cm-2。在濕甲烷（3 vol.% H2O）、0.2 A cm-2的電流密度下，電池可連續工作500小時并保持性能相對穩定。經長期穩定性測試后燃料電極中不僅有YSZ表面上的Ni納米顆粒出溶，還會促進ZrO2納米顆粒遷移和融合，在塊體Ni表面形成更緊密更完整的ZrO2薄膜層（見圖4）。在塊體YSZ表面大量的鎳納米顆粒析出是燃料裂解的主要原因，而它們與富氧空位的YSZ基體的強相互作用可顯著促進碳的去除。此外，ZrO2薄膜層充分保護了只提供了高電子導電的體相Ni，避免了體相Ni與碳基燃料直接接觸形成積碳。這種在煅燒/燒結過程中相互溶解以及后續氫氣熱處理過程中相互溶出的制造工藝，簡單且低成本，可用于大規模制造電極支撐型電池，高效利用碳氫燃料，顯著促進Re-SOCs商業化應用于碳中和能源體系。