研究背景
随着全球能源需求的持续增长和能源结构的转型，高效、清洁的能源转换与存储技术变得尤为重要。固体氧化物电池（Solid Oxide Cells, SOCs），作为一种能够实现高效电力生成和绿色氢气生产的先进技术，被视为未来可持续能源系统的关键组件之一。然而，传统固体氧化物电池的工作温度通常在750-1000°C之间，高温操作不仅加速了材料降解，还带来了密封难题和高成本等挑战。
为了克服这些挑战，可逆质子陶瓷电化学电池（Reversible Proton Ceramic Electrochemical Cells, R-PCECs）作为一种创新技术应运而生。R-PCECs通过将操作温度降低至350-600°C的中间范围，显著减轻了材料降解和密封问题，从而提高了系统的稳定性和经济性。然而，R-PCECs的商业化进程仍受到氧气电极性能不足的制约，特别是在高催化活性和可靠运行稳定性方面面临严峻挑战。
研究内容
本研究针对R-PCECs氧气电极的催化反应活性和稳定性问题，设计并合成了一种多元素微掺杂的BaCoO3-δ基钙钛矿材料（BCZTZICM），通过诱导离子无序来最大化氧-水反应活性。研究内容主要包括以下几个方面：
材料设计与合成：通过溶胶-凝胶法合成了BCZTZICM、BSCF和BCFZY三种材料，其中BCZTZICM采用多元素微掺杂策略，在BaCoO3-δ的B位引入了Zr、Ti、Zn、In、Cu、Mo六种元素，形成均匀的离子分布。
催化反应活性研究：
原子探针断层扫描（APT）和密度泛函理论（DFT）计算揭示，BCZTZICM中均匀的离子分布降低了质子吸附/扩散能垒，促进了质子传导。具体而言，DFT计算显示BCZTZICM的质子扩散能垒显著低于BSCF和BCFZY，从而提高了质子传导效率。
电化学性能测试表明，在600°C下，使用BCZTZICM作为氧气电极的R-PCECs单电池实现了1.56 W cm-2的峰值功率密度（PPD）和2.0 A cm-2@1.3 V的电解电流密度，远超传统材料BSCF和BCFZY的性能。
长期稳定性测试显示，BCZTZICM电极在燃料电池和电解模式下分别展现出19.3和16.9 μV h-1的低降解率，稳定运行时间超过780小时，证明了其优异的耐久性。
热机械稳定性分析：通过热膨胀系数（TEC）测试发现，BCZTZICM的TEC值仅为17.67×10-6 K-1（300-800°C），显著低于BSCF和BCFZY，且表现出良好的线性热膨胀行为，有效缓解了热循环过程中的热应力积累，提高了电极的机械稳定性。
工作创新点
多元素微掺杂策略：本研究创新性地采用多元素微掺杂策略，在BaCoO3-δ的B位引入六种不同元素，通过均匀分布离子来诱导离子无序，从而最大化氧-水反应活性。这种策略不同于传统的高熵或单一掺杂方法，通过低总掺杂浓度（20% B位）实现离子分散的最大化，同时保留了80%的活性Co，确保了高催化活性。
优异的催化反应活性：BCZTZICM电极在600°C下展现出卓越的电化学性能，峰值功率密度和电解电流密度均达到行业领先水平。特别是其低质子扩散能垒和高质子传导效率，为R-PCECs的高效运行提供了有力保障。
增强的热机械稳定性：通过多元素微掺杂，BCZTZICM电极显著降低了热膨胀系数，并表现出良好的线性热膨胀行为，有效缓解了热循环过程中的热应力积累。这一创新点解决了R-PCECs在热循环过程中易出现的电极开裂和脱落问题，提高了系统的长期稳定性和可靠性。
原文信息
Wang, X., Cai, Z., Chen, Z. et al. Highly ionic-dispersed oxygen electrode for reversible proton ceramic electrochemical cells. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70738-z
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