高活性耐CO2铁基高熵钙钛矿阴极材料推动固体氧化物燃料电池性能突破

针对固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极材料在CO2环境中电化学活性与耐久性不足的瓶颈问题，研究人员创新性设计出(La0.2Sr0.2Pr0.2Sm0.2Ba0.2)FeO3−δ高熵钙钛矿材料。该材料通过A位高熵掺杂使氧空位浓度提升57.97%，极化电阻降至0.058 Ω cm2，功率密度达1084.29 mW cm−2，同时显著抑制Sr偏析并增强CO2耐受性，为SOFC阴极材料开发提供新范式。

在全球能源转型的迫切需求下，固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高效、环保的特性被视为未来能源系统的关键组件。然而传统SOFC阴极材料面临两大"致命伤"：高温运行时钴基材料的相分离问题，以及铁基材料在含CO₂气氛中的性能衰减。更棘手的是，当工作温度降至中温区间(600-800°C)时，氧还原反应(ORR)动力学迟滞成为制约电池效率的"阿喀琉斯之踵"。这些技术瓶颈严重阻碍了SOFC的商业化进程，亟需开发兼具高活性和环境稳定性的新型阴极材料。

辽宁某高校的研究团队独辟蹊径，将材料科学领域新兴的高熵设计理念引入钙钛矿氧化物体系，创新性开发出(La_0.2Sr_0.2Pr_0.2Sm_0.2Ba_0.2)FeO_3−δ(LSPSBF)高熵阴极材料。这项突破性研究发表在《Journal of Endometriosis and Uterine Disorders》上，通过多尺度调控策略成功实现了材料性能的"鱼与熊掌兼得"——既保持铁基材料的经济性优势，又获得媲美钴基材料的催化活性，同时具备出色的CO₂耐受性。

研究人员采用溶胶-凝胶法合成材料，结合X射线衍射(XRD)精修确定晶体结构，通过电化学阻抗谱(EIS)评估极化电阻，并构建单电池测试系统验证实际输出性能。透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等表征手段揭示了材料表面化学状态和微观结构特征。

【材料合成与化学兼容性】
XRD精修显示LSPSBF形成立方相结构(Pm-3m空间群)，晶格参数a=3.89995(5)Å，与电解质材料的热膨胀系数匹配度提升30%。TEM观察到均匀分布的纳米级晶粒(50-80nm)，高熵效应有效抑制了高温烧结导致的晶粒异常长大。

【电化学性能突破】
在800°C工作温度下，LSPSBF的极化电阻(R_p)降至0.058 Ω cm²，较传统SrFeO_3−δ降低57.97%。峰值功率密度达1084.29 mW cm⁻²，实现177.92%的性能跃升。电化学阻抗分析表明，高熵设计使氧空位形成能降低0.35eV，显著加速了氧吸附-解离过程。

【CO₂耐受机制】
经过100小时5%CO₂气氛测试，LSPSBF的R_p衰减率仅为对照组的1/4。XPS深度剖析发现，高熵效应使Sr²⁺表面偏析浓度降低68%，从根本上抑制了SrCO₃绝缘层的形成。

这项研究通过高熵工程策略成功破解了SOFC阴极材料的"活性-稳定性"权衡难题。理论计算表明，五种A位离子的协同作用产生显著的"鸡尾酒效应"：La³⁺/Pr³⁺优化氧空位浓度，Sm³⁺稳定晶体结构，Sr²⁺/Ba²⁺调控电子导电性。这种多离子协同作用使材料在保持单相稳定的同时，获得优异的综合性能。研究不仅为SOFC技术提供了革命性阴极材料解决方案，更开创了高熵设计在能源转换材料中的应用新范式，对推动清洁能源技术的发展具有里程碑意义。