(La,Ae)FeO3表面原子结构的原位调控及其氧还原反应机理的研究
批准号:
52102137
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
陈迪
依托单位:
学科分类:
功能陶瓷
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈迪
中文摘要
我国提出要在2060年实现碳中和。固体氧化物燃料电池(SOFC)具有碳排放低、稳定性好和运行成本低等优点,有着广阔的应用前景。钙钛矿氧化物是最常用的SOFC阴极材料,其表面缓慢的氧还原反应是SOFC效率的限制因素。理解钙钛矿表面原子结构对氧还原反应机理的影响,从而设计更高效的阴极材料,一直是SOFC基础研究的热点和难点。本项目以(La,Ae)FeO3为研究对象,在制备、表征和理论三个方面进行创新:对电解质基片进行高温退火和酸处理,得到原子平整表面,实现对钙钛矿表面原子结构的精确控制;将电化学测试和激光溅射制膜技术(PLD)结合,开发原位PLD技术,在薄膜生长过程中对表面反应速率进行表征,建立表面原子结构和氧还原速率的对应关系;将表面结构参数纳入缺陷化学和微观动力学模型,建立更全面的热力学和动力学工具。最终揭示钙钛矿阴极材料表面原子结构和氧还原反应机理的构效关系,指导SOFC阴极材料的开发。
英文摘要
China has set the goal to achieve carbon neutrality by 2060. Solid oxide fuel cell (SOFC) is a clean energy technology of great potential because of its advantages such as low carbon emission, long term stability and low operation cost. Perovskite oxide is the most widely used cathode material for SOFC. However, the slow reaction rate of the oxygen reduction reaction on its surface has limited the global efficiency of the cell. Understanding the correlation between the surface atomic structure and the oxygen reduction mechanism has been an important but difficult topic for the SOFC research. In this project, we use (La,Ae)FeO3 as the model system to develop new research strategies on sample fabrication, characterization and modeling: By annealing the electrolyte single crystal substrate at high temperature and etching in HF, we achieve atomically flat surface, which enable us for controlling the surface structure at atomic resolution; By combing the pulsed laser deposition and electrochemical measurement, we develop the in situ PLD technique, which can measure the reaction rate during the film deposition process. This enable us to build the directly connection between the surface structure and the reaction rate; By introducing the surface structure parameters into the defect chemistry and micro-kinetic model, we build a thermodynamic and kinetic model to give a the whole picture of oxygen reduction reaction mechanism. Finally, we are able to build the correlation between the surface atomic structure of the perovskite oxide and the oxygen reduction reaction mechanism. This correlation can guide the design of SOFC cathode materials.
本项目围绕稀土氧化物材料在高温电化学反应中的催化机理,重点研究了其表面氧空位的精准表征和氧还原性能描述符的构建。固体氧化物燃料电池(SOFC)和固体氧化物电解池(SOEC)在高温条件下的能量转换效率受到电极材料表面结构的影响,而稀土氧化物因其优异的混合离子-电子传导特性成为潜在候选。本研究开发了一种基于脉冲激光沉积(PLD)的原子级表面结构调控方法,并结合近常压X射线光电子能谱(APXPS)、同步辐射X射线吸收光谱(XAS)、原子力显微镜(AFM)等多种先进表征手段,解析了氧空位浓度、电子结构与催化活性之间的构效关系。.本项目成功制备了高质量、表面原子级平整的稀土氧化物薄膜,并通过PLD与反射高能电子衍射(RHEED)技术实现了表面终止层的精准控制。研究发现,单层SrO终止面可显著提高氧交换速率,其氧还原反应(ORR)活性比FeO₂终止面高出30倍。此外,结合微观动力学建模和密度泛函理论(DFT)计算,发现氧分子在不同表面结构上的解离与吸附机制发生变化,确定了影响ORR的关键速率决定步骤(RDS),即氧分子解离到氧原子嵌入的转变。.实验结果表明,表面结构的调控能够有效优化稀土氧化物电极的反应动力学,其中单层SrO终止面实现了最佳的氧还原活性,呈现出“火山型”依赖关系。基于APXPS的原位表征揭示,SrO终止层能够增强氧空位的稳定性,同时降低氧吸附与解离的能垒。此外,采用高温电化学阻抗谱(EIS)分析发现,优化后的SrO终止面可将界面电阻降低至原始结构的约1/10,进一步证明了表面结构对催化活性的关键影响。.本研究的成果为高温电化学能源转换材料的设计提供了新的策略,通过精准调控表面原子结构,提高了电极材料的氧交换速率,并降低了反应能垒。所开发的原位PLD-APXPS联用技术为研究固-气界面反应提供了一种新的实验范式,有助于进一步探索表面结构与催化性能之间的构效关系。.本项目已发表论文8篇,根据审稿意见正在修改2篇,核心成果待投论文2篇。并在国际会议上进行了学术交流。为高效能固体氧化物燃料电池与电解池的电极设计提供了理论基础与实验依据。
国内基金
海外基金