谢和平院士领衔!深圳大学陈彬/章远最新Nature子刊丨耦合阳离子迁移与偏析构建多功能质子陶瓷电池空气电极!
- 2026-06-17 23:33:25
质子陶瓷燃料电池/电解池（PCFC/ECs）在500-600°C中温区间相比传统氧离子传导固体氧化物燃料电池具有显著优势，但其空气电极过程缓慢是商业化面临的关键瓶颈。
空气电极需兼具高体相质子吸收/传导、快速表面氧动力学和长期运行稳定性，然而传统单相钙钛矿材料难以同时满足这些多功能需求。多相复合电极是提升性能的重要策略，但传统自组装方法常面临界面稳定性差、在高湿度或高氧分压条件下相分离严重等问题。
通过在体相表面锚定功能性纳米氧化物可确保与基体材料的牢固结合。基于此，研究团队提出了一种创新思路：利用ABO₃钙钛矿结构内部的晶格弛豫过程，耦合体相阳离子迁移与表面NiO偏析，从而实现空气电极的多功能化。
该策略通过Ce从A位向B位的迁移，诱导NiO纳米颗粒在表面稳定偏析，协同优化了电极的表面催化活性和体相传输性能。
近日，深圳大学谢和平、陈彬、章远在Nature Communications发表了题为"Coupling cation migration with segregation for versatile air electrode in proton-conducting ceramic cells"的研究论文，Junda You, Zhipeng Liu, 章远为论文第一作者，谢和平、陈彬、章远为论文通讯作者。
1. 提出耦合阳离子迁移与表面偏析的新策略，同步优化空气电极的表面氧动力学、体相质子吸收/导电性和电子传输性能。 2. 通过DFT计算预测并实验验证了Ce从A位向B位的低能垒迁移，以及伴随的NiO纳米颗粒表面偏析。 3. 开发的cm-BCFN@NiO电极在550°C下面积比电阻低至0.3 Ω cm²，较无NiO对照组降低75%。 4. 单电池峰值功率密度提升77.1%，在650°C达到1.16 W cm⁻²，并表现出超过1200小时的优异稳定性。 5. 该方法具有普适性，为通过原子尺度阳离子迁移和表面偏析设计钙钛矿材料及广泛电催化应用提供了新途径。
📄 全文速览
质子传导陶瓷电池可实现高效的电催化氢-电转换，但其钙钛矿空气电极需要多功能特性：高体相质子吸收/传导性、快速表面氧动力学和运行稳定性。传统单相钙钛矿通常无法同时满足这些需求。
所制备的(Ba₀.₉Ce₀.₁₋α)(CeαFe₀.₈Ni₀.₂₋β)O₃₋δ-βNiO（cm-BCFN@NiO）电极具有耦合的体相-表面结构，其中精细分散的NiO纳米颗粒和Ce从A位向B位的迁移协同优化了表面氧动力学、体相质子吸收/传导性和电子传输。
优化后的电极在550°C下表现出0.3 Ω cm²的低面积比电阻——较无NiO对照组降低75%——使最大功率密度提高77.1%，并实现超过1200小时的稳定单电池运行。
除质子陶瓷电池外，该工作提出了一种利用原子尺度阳离子迁移和表面偏析设计钙钛矿的方法，为广泛的电催化应用开辟了更多机会。
📊 图文解读
图1 | 钙钛矿中阳离子迁移的DFT预测及能垒分析
该团队通过DFT计算预测了可同时占据ABO₃钙钛矿A位和B位的金属阳离子（包括Ce、Y、Yb、La、Pr、Nd、Sm、Gd）的迁移行为。结果显示Ce具有最低的迁移能垒（约2.583 eV），且迁移能垒与离子半径呈正相关。计算揭示了Ce从A位向B位迁移的完整能量路径，证实了尺寸效应是驱动阳离子迁移的主导因素。
图2 | cm-BCFN@NiO中阳离子迁移与NiO纳米颗粒的实验表征
通过SEM、HAADF-STEM和HRTEM等手段观察到cm-BCFN@NiO表面均匀分布的NiO纳米颗粒（100-150 nm）。
原子分辨率的STEM图像和EDS元素分布证实了C-BCFN基体保持立方钙钛矿结构，且Ce部分占据B位，支持了Ce从A位向B位的迁移机制。FIB制备样品的截面分析显示Ni在表面富集但在体相仍有残留，表明偏析不完全。
图3 | Ce阳离子价态与配位环境的结构表征
利用STEM-EELS线扫描发现Ce M₅/M₄边强度比在0.85-1.05之间变化，表明Ce³⁺和Ce⁴⁺共存及配位环境的变化。XRD精修证实材料由93.08 wt%的C-BCFN主相和6.92 wt%的NiO次相组成。
XAFS分析显示cm-BCFN@NiO中Ce的平均配位数为6.96，低于BCF的7.78，进一步证实了Ce从A位（配位数12）向B位（配位数6）的迁移。原位高温XRD表明材料在25-1000°C热循环中具有良好的相稳定性。
图4 | 功能化空气电极的电化学性能评价
对称电池测试表明cm-BCFN@NiO电极在450-700°C范围内的面积比电阻（ASR）显著低于BCF和机械混合的BCF-NiOmix，在550°C时ASR仅为0.3 Ω cm²。DRT分析揭示了电极反应的速率控制步骤。
该电极在不同湿度（0-10 vol% H₂O）下性能稳定，并在550°C湿空气中表现出超过1200小时的长期稳定性，远优于BCF电极。
图5 | 测试后电极的界面稳定性表征
对测试后电极的表征显示cm-BCFN@NiO电极与电解质之间形成了牢固的界面结合，没有观察到明显的结构失效或分层现象。
这证明了该耦合阳离子迁移与表面偏析策略构建的复合电极不仅具有优异的电化学活性，还具备良好的机械稳定性和界面兼容性，凸显了其作为高稳定性空气电极的应用潜力。
📝 总结
该研究通过耦合体相阳离子迁移与表面偏析，成功开发了一种多功能空气电极cm-BCFN@NiO。Ce从A位向B位的迁移不仅调整了晶格容忍因子，还促进了NiO纳米颗粒在表面的稳定偏析，形成了独特的体相-表面耦合结构。
该结构协同优化了表面氧还原反应动力学、体相质子吸收能力和电子传导性，使电极在质子陶瓷电池中表现出优异的电化学性能和长期稳定性。这一策略为设计高性能钙钛矿基电催化材料提供了新思路，并有望推广至其他电催化应用领域。
Coupling cation migration with segregation for versatile air electrode in proton-conducting ceramic cells,Nature Communications,2026,DOI:10.1038/s41467-026-72536-z
