邵宗平、周嵬Nature：提出“负热膨胀补偿调节”概念

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近日，材料化学工程国家重点实验室固态离子与新能源技术团队在《自然》正刊发表了题为“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”的研究论文（Nature, 2021, 591, 246–251）。重点实验室为该论文第一单位，邵宗平教授和周嵬教授为通讯作者。
        固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效的能量转换装置，其商业化发展面临的一大挑战就是热机械不稳定性——电池在热循环中容易发生开裂、分层、破损等热机械损伤。其中一大原因是常用经典钴基钙钛矿阴极较高的热膨胀系数（TEC）远远大于普通SOFC电解质，这可能导致电池阴极与电解质这一关键功能界面处发生分层或断裂。
       针对这一问题，团队提出了该研究首次提出“负热膨胀补偿调节”概念，通过固相烧结将具有高电化学活性和热膨胀系数（TEC）的钴基钙钛矿与负热膨胀材料（NTE，Y2W3O12氧化物）结合在一起，从而形成与电解质TEC几乎一致的复合电极材料（复合材料TEC值12.9╳10-6 K-1，电解质TEC值为12.3╳10-6 K-1），实现与电解质良好匹配的热膨胀性能。当应用到SOFC电池上时，阴极与电解质界面稳定性得到了显著提升，所获得的复合电极材料表现出出色的热机械稳定性，此外该材料的电化学催化活性亦得到了提升——比面积极化阻抗值低至0.041 Ω cm2；使用复合阴极材料的固体氧化物燃料电池的峰值功率密度在750 °C时达到1690 mW cm-2。为了揭示这一现象，团队通对复合电极NTE颗粒和钴基钙钛矿催化颗粒界面的精细表征，发现两者之间有益的界面反应（生成SrWO4和A位缺陷的Sr1-xYy(Nb0.1Co0.9)1-yO3-δ）提供了具有较高氧空穴浓度和较低TEC的新型主相材料，提高了电催化活性，同时提供了热膨胀缓冲层，并在多相共同作用下达到整体降低TEC的作用，40次热循环后电极性下降仅8%。（图1）

图1 电极热循环稳定性与复合电极协同机理

        此外，电池烧结制备过程中，复合电极与电解质的优异热膨胀匹配性也可能减少了电池内部热应力导致的离子电子传导网络中微缺陷（裂纹，分层）的发育生成过程，保证电池阴极高效的电化学催化过程。
        该突破性成果克服了固体氧化物电池电极-电解质界面热膨胀系数不匹配的难题，也为高性能、高稳定性SOFC阴极开发提供了一种全新的思路，同时对诸多高温催化材料、器件的热机械性能难题的解决具有重大的借鉴意义。
        参考文献：Yuan Zhang , Bin Chen, Daqin Guan, Meigui Xu , Ran Ran , Meng Ni , Wei Zhou , Ryan O’Hayre & Zongping Shao, Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes. Nature 591, 246–251 (2021).


       文章来源：南京工业大学
       邵宗平,男，南京工业大学教授。1973年生，1995年本科毕业于原杭州大学化学系（现浙江大学理学院），2000年毕业于中科院大连化物所获博士学位，目前为南京工业大学教授，博士生导师，材料化学工程国家重点实验室固定教授。曾获霍英东青年基金，教育部新世纪优秀人才，江苏省6大人才高峰（A类），江苏省333高层次人才计划（第二层次），国家杰出青年基金，教育部长江学者特聘教授，享受政府特殊津贴专家，入选国家百千万人才工程以及欧盟科学院院士等人才项目或称号。以第一完成人荣获2012年教育部自然科学二等奖、2015年江苏省科学技术二等奖。至今在Nature (2), Nature Energy (1), Nature Commun. (1), Science Adv. (1), Energy & Environ. Sci. (3), Prog. Mater. Sci. (2), Chem Rev. (2), Chem. Soc. Rev. (1), Adv. Mater. (2), Mater. Sci. Eng. R (1), Adv. Funct. Mater. (3), Angew. Chim. Int. Ed. (5), Adv. Energy Mater. (6), ACS Catalysis (2), Nano Lett. (1)等发表论文近480余篇，论文被引用18000余次，H-index为64；获授权中国专利25项，美国专利2项。汤森路透工程领域2002-2014年全球高被引科学家之一；2015、2016连续两年爱思唯尔中国高被引学者能源领域榜首；2016年入选“全球能源科学与工程学科”及“全球材料科学与工程学科”双料高被引学者（能源科学与工程学科全球150名，中国大陆15名；材料科学与工程全球300名，中国大陆30名）； 2017年汤森路透工程领域全球高被引科学家之一。担任华中科技大学、山西大学、福州大学、华南师范大学、江苏科技大学及澳大利亚科廷大学等高校兼职教授；是国际Scientific Report、Energy Science & Engineering、Journal of Ceramics、The Open Fuels & Energy Science Journal及国内热科学与技术等学术期刊编委。主要从事与固态离子相关的新能源材料，如燃料电池（固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池），超级电容器，锂/钠电子电池，陶瓷分离膜，低温氧催化、氢催化反应，水处理，传感器等领域的研究及应用。
       周嵬,男，南京工业大学化工学院，材料化学工程国家重点实验室教授，博士生导师，江苏省杰出青年基金获得者，江苏特聘教授，江苏双创人才。2009年毕业于南京工业大学化学工程专业，获博士学位。博士论文获“全国百篇优秀博士论文提名奖”。博士毕业后即获得澳大利亚基金委授予的澳大利亚博士后职位（Australian Postdoctoral Research Fellow），于2010年赴昆士兰大学从事研究工作，2013年成为昆士兰大学项目研究员，在澳期间共获得澳大利亚基金委项目3项。2014年受聘为“江苏特聘教授”，2015年加入南京工业大学进行教学科研工作。迄今在国际主流期刊上发表SCI论文140余篇，其中包括Nature Energy、Nature Communications、Science Advances、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials、Nano Letters、Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、Progress in Materials Science、Progress in Energy and Combustion Science等国际著名刊物，论文总共被引用4000余次，h-index=36。