包信和、汪国雄揭示钙钛矿氧化物中离子有序性对高温析氧反应的调控机制

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近日，我所催化基础国家重点实验室包信和院士、汪国雄研究员和宋月锋副研究员团队与中国散裂中子源何伦华研究员团队合作，在固体氧化物电解器（SOEC）阳极高温析氧反应活性调控方面取得新进展。研究团队通过精准调控钙钛矿晶体结构，结合多种物理化学表征手段，揭示了钙钛矿氧化物中离子有序性与高温析氧反应活性之间的构效关系。
　　SOEC具有高电流密度、高法拉第效率、低过电势等优势，被认为是一种具有广泛应用前景的CO2电解器件。但SOEC阳极析氧反应过程动力学相对缓慢，能耗较高，开发高活性的阳极材料对于进一步提升SOEC电化学性能至关重要。

　　本工作中，研究团队通过调控PrBaCo2-xFexO5+δ基钙钛矿中B位Co与Fe的比例，合成了三种钙钛矿材料（PrBaCoFeO5+δ，PrBaCo2O5+δ，PrBaCo1.5Fe0.5O5+δ，分别标记为PBCF22，PBC，PBCF31），利用同步辐射X射线衍射、中子衍射、高角环形暗场扫描透射电子显微镜等表征手段，确认了B位金属组分对钙钛矿A位离子和氧空位排列有序性的调变作用；进一步通过原位、准原位电化学和物理化学表征以及密度泛函理论计算，研究了离子有序性与氧空位生成、氧交换、溢流、脱附能力以及氧体相迁移扩散能力的关联。实验结果表明，PrBaCo2-xFexO5+δ中A位离子交替有序分布能够促进Pr-O平面内氧空位的形成，为氧离子迁移提供通道，从而改善了氧传输和表面反应动力学；Pr-O面内氧离子的有序分布则阻碍了阳极极化条件下氧离子的体相迁移和表面扩散；其中，具有A位离子有序和氧空位无序的PBC阳极，在800 ℃和2.0 V下CO2电解电流密度达到3.40 A cm-2，显著优于其他两类材料。该工作揭示了离子有序性对高温析氧反应活性的调控机制，为开发高效稳定的SOEC阳极材料提供了参考。
　　相关研究成果以“Tailoring Ion Ordering in Perovskite Oxide for High-Temperature Oxygen Evolution Reaction”为题发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。该工作的共同第一作者是我所502组毕业生刘清雪博士、中国散裂中子源沈斐然博士和我所联合培养硕士研究生宋国慧。上述工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。（文/图 刘清雪 宋月锋）
　　文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202307057
        文章来源：大连化物所
       汪国雄，1979年出生，博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。2000年毕业于武汉大学化学与分子科学学院，获理学学士学位。同年进入中国科学院大连化学物理研究所，2006年获物理化学专业博士学位。毕业后留所工作，任助理研究员。2007年9月-2010年12月在日本北海道大学触媒化学研究中心从事博士后研究工作。2010年12月以所百人计划进入到催化基础国家重点实验室工作，任副研究员。2015年6月任研究员，2017年7月担任DNL21部B类组群碳基资源电催化转化研究组组长。在J. Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci., Nano Energy等学术期刊上发表论文60余篇，申请中国发明专利15件。
      包信和，男，汉族，1959生于江苏省。理学博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。1987年获复旦大学理学博士学位；1987-1989年在复旦大学化学系任教；1989-1995年获洪堡基金资助在德国马普协会柏林FRITZ-HABER研究所进行合作研究；1995年至今，在大连化学物理研究所工作，任催化基础国家重点实验室研究员，博士生导师，所学术委员会主任，洁净能源国家实验室（筹）能源基础和战略研究部部长，中国科学院研究生院教授；2000年8月至2007年2月，任中国科学院大连化学物理研究所所长；2009年4月至2014年6月任中国科学院沈阳分院院长；2009年当选为中国科学院院士；2015年7月至2017年6月任复旦大学常务副校长；2017年6月8日起任中国科学技术大学校长。