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我所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
原文地址：http://www.dicp.cas.cn/xwdt/kyjz/202306/t20230625_6786826.html
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
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