来源：Sciopen
在过去几年中，化石燃料的枯竭和温室气体排放的增加加剧了全球对可持续和清洁能源替代品的关注。其中，燃料电池被认为是高效的转化系统，能够直接将化学燃料转化为电能，同时将环境影响降至最低。在确保固体氧化物燃料电池（SOFC）的经济可行性的同时，提高其延长的耐久性仍然是其发展的关键挑战。最近的研究表明，某些氧化物具有同时作为阴极和负极材料的功能，从而能够开发对称固体氧化物燃料电池 （SSOFC）。这不仅降低了制造成本，而且由于电解质和电极之间的热机械兼容性，还提高了作稳定性。因此，SSOFC 近年来受到了广泛关注 。
氢气 （H2）被广泛认为是一种具有广泛研究前景的前瞻性能源。H2可以通过天然气或煤炭的重整以及由可再生能源技术（如太阳能、风能和潮汐能）驱动的水裂解反应产生。它也是 SOFC 的常用燃料。不幸的是，氢能的商业化受到堆积密度不足和液化温度低的严重阻碍，导致储存和运输成本高。 人们仍在寻找一种具有高能量密度、可再生特性和易于储存的可行替代方案。考虑到这些因素，包括甲醇、乙醇、甲烷和乙烷在内的碳氢化合物燃料因其卓越的能量密度和方便的储存而在过去几年中引起了越来越多的兴趣。然而，这些燃料的高温分解引起的碳沉积严重阻碍了它们在 SOFC 中的应用。相比之下，氨具有显着的优势，包括更高的体积能量密度、易于储存和运输以及成熟的生产技术。这些优势使直接氨固体氧化物燃料电池（DA-SOFC）的商业化成为可能。
为了在DA-SOFC中实现最佳性能，阳极在氢氧化反应（HOR）和氨分解反应（NDR）中都应表现出高催化效率。尽管传统的镍基负极显示出良好的HOR活性，但由于在低温下颗粒严重团聚，其NDR催化活性显著降低。因此，高效耐用阳极的创新对于 DA-SOFC 至关重要。钙钛矿型氧化物因其结构稳定性和成分柔韧性而被广泛认为是优良的正极材料。钙钛矿氧化物对氧还原反应 （ORR）、HOR 和 NDR 的优异催化活性促进了 SSOFC 技术与氨燃料的整合，从而促进了 DA-SSOFC 的发展。其中，SrFeO3−δ基钙钛矿表现出出色的 ORR 催化能力，这主要归功于其高浓度的氧空位和强大的氧交换能力。此外，周 和他的同事证明 Ru 掺杂在 (La0.8Sr0.2)0.9Sc0.2Mn0.8O3−δ进一步增加了正极材料中的氧空位浓度，促进了氧离子扩散，并表现出优异的 ORR 催化活性。然而，用作阳极的纯钙钛矿材料在促进 HOR 和 NDR 方面表现出有限的催化性能。为了解决这一限制，将过渡金属元素集成到钙钛矿材料中，并采用原位溶解方法来生成纳米颗粒（NPs），已被证明可以显著提高HOR和NDR的催化活性和耐久性。这种增强归因于原位溶解的纳米颗粒 （NPs） 和钙钛矿基体之间形成的嵌入结构，它有效地抑制了纳米颗粒的聚集，从而提高了结构稳定性。迄今为止，几项研究表明，使用双金属或合金催化剂，如Ru-Fe、Co-Fe、Fe-Ni和Ni-Ru，可以显著提高HOR和NDR的催化效率，同时也增强了它们在较长时间内的耐久性。然而，对于化学计量比为 A/B = 1 （ABO3），大量合金纳米颗粒 （ANP） 的溶解是一个缓慢而漫长的过程。最近，引入 A 位点缺陷（即 A/B < 1）以增强 B 位点元素溶解的驱动力成为一种很有前途的策略。这种方法有助于在更短的时间内释放更多的 ANP。例如，Song 等人开发了一种 A 位缺陷钙钛矿型负极材料 La0.55Sr0.30TiO3−δ (LST)，通过原位溶出法在阳极表面用 Ni-Co ANPs 修饰，以实现优异的电化学性能和作稳定性。在 800 °C 时，使用 NH3作为燃料，单电池的峰值功率密度 （PPD） 达到 361 mW·cm−2 Qin 等人合成了一种先进的 A 位缺陷负极材料(Pr0.5Sr0.5)0.9Fe0.9Ru0.1O3−δ, 基于SrFeO3−δ，基于 SrFeO3−δ.在 H2处理后，原位溶解的 FeRu 合金纳米颗粒均匀分布在电极表面，表现出优异的电子/离子导电性和催化活性。因此，在阳极表面形成均匀分散的 ANP 代表了增强 HOR 和 NDR 的有效策略。这种方法对于高性能 DA-SSOFC 的开发至关重要。
在这项研究中，钙钛矿氧化物Pr0.32Sr0.48Fe0.8Ni0.2O3−δ (PSFN) 作为母体材料，掺杂 Ru 离子，开发一种新型纳米复合对称电极材料Pr0.32Sr0.48Fe0.75Ni0.2Ru0.05O3−δ （PSFNRu） 用于 DA-SSOFC。Ru 掺杂有效提高了氧空位浓度，加速了氧离子迁移，增强了 ORR 活性。在还原条件下，原位溶解的 ANP 扩大了电极的比表面积，为阳极电化学反应提供了额外的活性位点。因此，掺杂 5 mol% Ru 的 PSFNRu 对 ORR、HOR 和 NDR 表现出优异的催化性能。基于Sm0.2Ce0.8O1.9 （SDC） 电解液的 PPD 分别为 736 和 547 mW·cm−2在 800 °C 时，以 H2, NH3分别。此外，使用 NH3在 700 °C 下 172 小时内性能无明显下降作为燃料。这项研究为具有增强活性和耐久性的对称电极材料的合理设计提供了深刻的见解，为提高 DA-SSOFC 的性能和长期稳定性提供了一种有前途的策略，从而促进其实际部署。