近日，海洋科学与技术学院海水资源绿色利用研究团队在材料领域高知名度的学术期刊《Journal of Alloys and Compounds》上发表题为“Nanoarchitecturing hydrogen electrode with intimately coupled ion-conducting and catalytic phases for enhanced intermediate-temperature steam electrolysis”的研究成果，我院罗丹讲师为该论文的第一作者。
电解水制氢对于海水资源利用和可再生能源存储具有重要意义。固体氧化物电解池（SOEC）电解水制氢被认为是储能系统中一种很有前途的技术。与低温电解池相比，在高温下工作的SOEC提供了更有效的储能途径。先进的商用SOEC通常使用YSZ作为电解质材料。然而，YSZ仅在高温（800–1000°C）下显示出足够的导电性，但高温下运行会引起长期稳定性、层间扩散和电池密封等的问题。近年来，中温SOEC（IT-SOEC，500–700°C）的发展受到广泛关注。SDC是常用的IT-SOEC电解质材料。NiO-BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ (BZCY)复合物被认为是一种很有前途的氢电极材料，具有高离子和电子电导率。然而，传统的球磨工艺合成NiO-BZCY可能导致Ni和BZCY相的分布不均匀。此外，采用传统干压工艺制备的氢电极表现出较大的孔隙率，导致电极/电解质界面处的表面粗糙度较大，有效反应位点减少。因此，氢电极结构的材料组成和制造技术对其性能有很大影响。为了达到有竞争力的电化学活性，必须优化氢电极/电解质界面，以最大限度地延伸三相边界（气体、电极和电解质）的长度，以实现有效的传质和电荷转移。另外梯度多孔电极可以促进气体扩散。
此工作制备了一种具有改良氢电极/电解质界面结构的电解池。将氢电极功能层（HFL）和SDC电解质分别浸渍到氢电极基底上，以优化界面接触。HFL使用柠檬酸盐一步燃烧法合成的NiO-BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ (NiO-BZCY)复合粉末，以获得均匀分布的离子传导相和催化相。本文进一步研究了HFL和浸渍法对电池电极微观结构和电解性能的影响。在 700 °C，1.3 V条件下，与常规方法制备的电解池电解性能相比，改性电解池的电解电流密度从0.41提高到0.74 A cm−2。 电解池的极化电阻也得到有效降低，在700°C时从2.12下降到1.17 Ω cm2。 本研究为IT-SOEC应用于海水储能和可持续能源系统的发展提供了重要的参考策略。
图1.未优化电池（SOEC-Milling）（左）和界面优化后的电池（SOEC-Combustion）（右）中离子和电子转移的示意图。 阴极功能层（HFL）采用一步燃烧法合成的NiO-BZCY粉末制成。 BM：球磨； CM：一步燃烧法； HFL：氢电极功能层；BZCY: BaZr0.1Ce0.7Y0.2O3-δ; SDC: Ce0.8Sm0.2O2-δ; SSC: Sm0.5Sr0.5CoO3-δ.
图2.(a) 在 700°C 下记录的 I-V 曲线； (b)阻抗谱图； (c)未优化电池（SOEC-Milling）（黑柱）和界面优化后的电池（SOEC-Combustion）（红柱）在 700、650 和 600°C工作时的电荷转移电阻（Rct，中频）和 RL（RL，低频）； (d) 传统和改性氢电极中离子转移和分子分布示意图。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838823036654
