苏州大学AM!!用于合成高效稳定钙钛矿催化剂的导电阳离子陷阱

钙钛矿氧化物因其优异的离子电子导电性和氧化还原稳定性，在催化与能源转化领域展现出广阔的应用前景，特别是在固体氧化物电解池高温二氧化碳还原反应中。然而这类材料的实际应用面临严峻挑战：A位点的二价锶离子（Sr2+）在运行过程中会向表面偏析，形成电化学惰性的SrCO3相，严重阻碍活性中心与反应物的接触，导致催化活性和稳定性急剧下降。传统抑制Sr2+偏析的策略包括掺杂难还原金属元素或采用反向阳离子捕获法，但在高温强还原性条件下效果有限。随着电解池工作电压超过热中性电位，阴极温度升高会进一步加剧锶离子偏析，造成材料性能快速衰减。这一问题已成为制约钙钛矿基催化剂工业化应用的关键瓶颈，亟需开发能够在苛刻工作环境下同时实现高效催化与长期稳定性的创新解决方案。

在这项研究中，研究人员设计了一种导电阳离子陷阱来同步解决钙钛矿催化剂的活性与稳定性难题。该陷阱通过在电极制备过程中引入SrMoO4实现，其在高温还原条件下可原位转化为高电导率的SrMoO3相。研究团队以Pr0.90Sr0.10Co0.95Cu0.05O3-δ钙钛矿为主体材料，系统考察了不同SrMoO4含量（0-55 wt.%）对催化剂性能的影响。实验结果表明，当SrMoO4含量为19 wt.%时，催化剂表面覆盖率达到理想阈值，展现出最优性能。该催化剂在800°C下实现了3 A cm-2的电流密度（1.57V），CO法拉第效率接近100%，能量效率超过70%，并在1 A cm-2条件下稳定运行160小时而无性能衰减。降解速率较未改性催化剂降低一个数量级，coking-free工作电流密度从200 mA cm-2提升至400 mA cm-2。原位表征结合理论计算证实，SrMoO4有效捕获偏析的Sr2+并转化为导电SrMoO3，避免了惰性SrCO3的形成，同时构建了富氧空位的活性表面。

该研究成功开发了一种基于SrMoO4/SrMoO3的导电阳离子陷阱策略，从根本上解决了钙钛矿氧化物中Sr2+偏析导致的稳定性与活性矛盾。这一设计不仅抑制了惰性相的生成，还显著提升了电极导电性和催化活性，实现了高电流密度、高选择性与长期稳定性的统一。该策略的普适性在于既可通过钼掺杂在合成阶段引入，也可作为添加剂在电极制备时直接混入，为工业放大提供了灵活选择。研究揭示了阳离子陷阱通过固相反应捕获Sr2+、构筑导电网络、稳定活性表面的三重作用机制，为理解钙钛矿材料的表面重构与失活机理提供了新的理论视角。这项工作对推动固体氧化物电解池商业化具有重要意义，其设计原则可拓展至其他涉及阳离子偏析的电催化体系，为开发下一代稳定高效的能源转化材料提供了可借鉴的思路。