JPMATER编辑优选：Ruddlesden-Popper钙钛矿作为固体氧化物燃料电池阴极的综述
本篇研究来自湖北大学王世敏教授和李文路副教授课题组，文章主要对RP型钙钛矿材料中晶体结构、氧离子和质子迁移机理，物理化学性质（电导率和热膨胀系数）综合调控策略以及在氧离子传导固体氧化物燃料电池和质子传导固体氧化物燃料电池中的应用进行了综述。
文章介绍
Review on Ruddlesden-Popper perovskites as cathode for solid oxide fuel cells
丁培培，李文路，赵汉文，吴聪聪，赵丽，董兵海，王世敏
通讯作者：
- 王世敏，湖北大学
- 李文路，湖北大学
本文主要展开讨论了Ruddlesden-Popper（RP）型钙钛矿阴极材料的晶体结构、氧迁移和质子迁移机制，调控材料电导率和热膨胀系数的策略以及在氧离子传导型固体氧化物燃料电池（O-SOFC）和质子传导型固体氧化物燃料电池（H-SOFC）中的应用。RP型钙钛矿的结构是由ABO3钙钛矿层与AO岩盐层沿c轴交替层叠分布形成的。图1所示为An+1BnO3n+1的结构示意图，A位通常被稀土元素或碱土金属元素占据，而B位则是过渡金属元素。RP型钙钛矿晶体结构取决于掺杂金属离子的半径和化合价。
RP型钙钛矿结构中存在AO岩盐层，因此在RP型钙钛矿中衍生出多种氧传输机制，最主要的三种包括直接间隙机制，间隙机制和氧空位扩散机制。对于在RP型钙钛矿结构中的氧扩散主要通过间隙氧离子传导，而对于氧空位扩散过程中的氧迁移势垒远高于间隙机制的氧迁移势垒。因此，我们主要是讨论了间隙机制中的氧迁移过程，氧的迁移物种（如图2所示）以及氧的迁移路径（如图3所示）。而质子在钙钛矿或类钙钛矿材料中的迁移是遵循格罗特斯两步跳跃机制，其主要特征包括旋转扩散和八面体跳跃。这篇文章是通过介绍质子缺陷的形成位置（如图4所示）以及质子的迁移路径（如图5）来理解质子的扩散性质过程。
图2. (左)氧化物间隙介导(Oint^2-)的扩散机制的扩散途径和能量图；(右)氧化物-过氧化物扩散机理(Oint^2-和Oint^-)的扩散途径和示意能量分布(Adapted from^72 Copyright (2018), Chemistry of Materials).
图3. 氧离子沿(a)[001]和(b)[010]方向的迁移路径(Adapted from^76 Copyright (2016), ACS Applied Materials & Interfaces).
图4. 在Sr3Fe2O7-δ 氧化物中 d1-d3代表三种可能形成质子缺陷的氧位点(Adapted from^84 Copyright (2015), Journal of Materials Chemistry A).
固体氧化物燃料电池（SOFC）是高效的能量转换设备，SOFC的中低温化有利于拓宽材料的选择范围、提高系统的可靠性并降低运行成本。然而，传统的钙钛矿阴极在中低温范围内难以兼顾高的氧还原反应活性和良好的稳定性。与常规钙钛矿不同，Ruddlesden-Popper（RP）型钙钛矿在中温下表现出更快的表面氧交换速率及良好的稳定性。该类材料的物理、化学性质的组分优化及其在固体氧化物燃料电池中的应用受到广泛关注。但是，关于RP型钙钛矿的晶体结构、氧离子和质子传输机制及其在氧离子传导型固体氧化燃料电池（O-SOFC）和质子传导型燃料电池（H-SOFC）中的应用尚未做系统报告。因此，本文旨在概述RP钙钛矿的晶体结构、氧离子和质子传输机理、理化性质及其在O-SOFC和H-SOFC中的应用。
作者介绍
王世敏，教授，省部共建功能材料绿色制备与应用教育部重点实验室主任、湖北省化学化工学会副理事长、享受国务院政府特殊津贴专家。研究领域：光电功能材料；有机功能分子；燃料电池。
李文路，副教授，博士毕业于华中科技大学，曾在密歇根大学安娜堡分校交流访问。研究方向：固体氧化物燃料电池；陶瓷材料；电催化。
期刊介绍
