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2020年3月28日，南京工業大學邵宗平團隊聯合周嵬團隊向Nature期刊提交了一篇研究論文。經過接近一年時間的修改，這篇題為“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”的文章最終于2021年3月10日在Nature網站在線刊出，實屬不易！過程是苦澀的，但結果是甘甜的！

固體氧化物燃料電池（SOFC）作為一種高效的能量轉換裝置，其商業化發展面臨的一個挑戰是熱-機械不穩定性。燃料電池不同組件之間熱膨脹行為的不匹配性導致大的內部應變梯度是這種不穩定的主要原因，例如常用鈷基鈣鈦礦陰極高的熱膨脹系數（TEC）遠遠大于普通SOFC電解質，這可能導致電池降解、分層或斷裂。

為了大幅度降低鈷基電極的TEC而不對氧還原反應（ORR）施加負面影響甚至帶來正面作用，南京工業大學邵宗平、周嵬等人報道了如何合成和適當選擇負熱膨脹（NTE）材料，以及通過引入熱膨脹偏移來實現陰極與電池其他組件之間完全熱機械兼容的方法。

研究人員使用反應燒結將具有高電化學活性和大的熱膨脹系數的鈷基鈣鈦礦?SrNb_0.1Co_0.9O_3?_δ（SNC，TEC為19-24×10^-6 K^-1）與負極熱膨脹材料Y₂W₃O₁₂氧化物（YWO，TEC為-7×10^-6 K^-1）結合在一起，在SNC與YWO之間引發了有益的界面反應，從而形成具有與電解質良好匹配的熱膨脹性能的復合電極。由于在煅燒過程中，復合材料中兩種材料之間的反應程度有限，導致鍶從鈣鈦礦本體相中脫出，形成新的中間相SrWO₄（SWO），這會在鈣鈦礦中形成A位缺陷。

結果，所獲得的SYNC復合材料（c-SYNC）顯示出良好的SOFC電化學性能和出色的熱機械穩定性。具體而言，在600 ℃下，c-SYNC復合電極具有良好的ORR活性，ASR值為0.041 Ωcm²；使用c-SYNC陰極的SOFC紐扣電池的峰值功率密度在750 °C時達到1690 mW cm^-2。降低的TEC、鈣鈦礦相優化和熱機械穩定性的協同作用共同促進了這種SOFC復合陰極的出色電化學性能，并為未來的SOFC電極設計開辟了一條新路徑。

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圖1 c-SYNC的性質和形成機理

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圖2 c-SYNC的熱膨脹行為和電化學性能

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圖3 熱循環和機理示意圖

Zhang, Y., Chen, B., Guan, D. et al. Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes. Nature 591, 246–251 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03264-1

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