固体氧化物燃料电池（SOFCs）因其出色的燃料灵活性、高电效率（>60%）以及在分布式发电方面的巨大潜力，已成为最具前景的电化学能量转换技术之一[1]。在决定SOFC性能的关键组件中，作为燃料电极的阳极在调节系统的电化学活性和长期运行稳定性方面起着至关重要的作用。三十多年来，基于镍的阳极，尤其是镍-氧化钇稳定氧化锆（Ni–YSZ）复合材料，由于其在氢氧化反应中的优异催化活性、高电子导电性以及相对简单的制备工艺，一直主导着SOFC的发展[2]、[3]、[4]。
尽管Ni–YSZ阳极在性能和技术成熟度方面具有优势，但在长期运行和实际燃料环境中仍面临若干根本性挑战，这些挑战严重限制了其商业应用和操作耐久性。首先，当使用碳氢化合物燃料时，镍催化的碳沉积会导致电极性能下降和潜在的结构损伤[5]、[6]、[7]、[8]。其次，实际燃料中普遍存在的微量含硫化合物会迅速使活性镍位点失活，即使在硫浓度低至1–10 ppm的情况下也会导致性能显著下降[9]、[10]、[11]。此外，在高温条件下，镍颗粒容易团聚和粗化，从而减少活性表面积和三相边界（TPB）的长度，进而导致不可逆的电化学性能下降[12]、[13]、[14]。此外，与氧化还原循环相关的体积变化和相变不稳定性会加速微观结构的退化，并损害阳极的机械完整性[15]。在热膨胀兼容性方面，镍（约13 × 10-6 K−1）和YSZ（约10 × 10-6 K−1）之间的显著差异会在热循环过程中引起界面应力集中，导致分层或微裂纹形成[16]、[17]。另外，作为战略金属资源，镍面临价格波动大和地缘政治供应风险的双重挑战，其开采和冶炼过程也会对环境造成较大负担[18]。因此，从技术、经济和环境的可持续性角度来看，传统基于镍的阳极的大规模长期应用仍受到很大限制。
为了解决上述根本性问题，近年来大量研究致力于开发替代的无镍阳极材料。钙钛矿型氧化物，如镧锶铬酸盐（La1-xSrxCrO3-δ，LSC）[19]和镧锶钛酸盐（La1-xSrxTiO3-δ，LST）[20]，在还原气氛下表现出良好的化学和结构稳定性，并具有一定程度的抗碳沉积和抗硫中毒能力。此外，基于铈的氧化物——特别是掺钆的氧化铈（Gd0.1Ce0.9O2-δ，GDC）——因其混合离子-电子导电性和Ce3+/Ce4+氧化还原对所赋予的催化活性而受到广泛关注[14]、[21]、[22]、[23]。尽管这些无镍材料在稳定性和抗中毒性方面具有显著优势，但它们通常电子导电性较低，催化活性不足，导致其功率密度远低于传统基于镍的阳极。为了获得可接受的电池性能，往往需要复杂的成分调整或微观结构优化策略[24]，这大大增加了材料设计和制备的难度。
在当前关于无镍阳极的研究中，一个长期被忽视但至关重要的问题是它们有限的气体传输能力。近年来，人们投入了大量努力来构建有序的大孔阳极结构，以改善质量传输和电化学性能。已经探索了多种制备方法，包括相分离、模板辅助方法和冷冻铸造[25]，以生成具有增强气体渗透性和扩大三相边界区域的有定义的孔隙网络。这些结构化的电极可以有效缓解浓度极化问题，并改善反应物传输，优于传统的随机多孔电极。然而，同时优化孔隙连通性、机械完整性和催化利用率仍然具有挑战性。大多数无镍材料容易发生致密化或受到加工限制，难以构建连接良好的多尺度多孔结构。因此，这些阳极通常具有较低的孔隙率和分布不均匀的孔径[26]、[27]。这种微观结构缺陷在高电流密度下容易引起严重的浓度极化，显著限制了阳极反应动力学，从而降低了整体电池性能。为了解决这个问题，许多研究尝试采用薄阳极层（通常< 50 μm）来缩短气体扩散路径[28]、[29]；然而，这种方法也会大幅减少阳极的活性体积和机械支撑，影响三相边界面积和结构稳定性。因此，尽管许多无镍阳极在低电流密度或实验室条件下表现出合理的电化学性能，但在高功率输出或实际运行环境下仍难以同时满足性能和耐久性的要求[21]、[30]。
为了克服无镍阳极在质量传输方面的结构瓶颈，本研究提出了一种新型的双层阳极设计，该设计由树枝状多孔无镍GDC支撑层和超薄含镍功能层（n wt% Ni-GDC）组成。这种结构旨在通过结构调节增强气体传输和催化活性，从而实现燃料扩散和界面反应动力学的协同优化，同时最小化镍的消耗。树枝状GDC支撑层具有层次化的互连孔隙网络，有助于高效输送燃料并促进气体向活性反应界面的扩散。这种设计允许使用较厚的电极（>300 μm），同时最小化质量传输损失，从而最大化电化学活性面积。此外，通过系统调整功能层中的Ni含量，找到了性能和耐久性之间的最佳平衡。在支撑表面额外加入Ru-GDC纤维催化剂进一步增强了界面反应动力学和活性位点的利用。这种双层阳极结构在厚电极条件下表现出优异的电化学性能和燃料灵活性，同时具有良好的操作稳定性。所提出的结构策略为开发高性能、低镍且耐用的SOFC阳极提供了有前景的途径。
