SOFC可直接利用甲烷、丙烷等易得碳?xì)淙剂习l(fā)電，能量轉(zhuǎn)換效率高、燃料適配性廣，是構(gòu)建低碳能源體系極具潛力的技術(shù)路線。傳統(tǒng)鎳基金屬陶瓷陽(yáng)極存在致命短板：甲烷高溫裂解易產(chǎn)生大量積碳覆蓋活性位點(diǎn)、堵塞電極孔道，造成電池性能快速衰減；現(xiàn)有改性方案會(huì)大幅提升電池制備與系統(tǒng)運(yùn)維難度，制約產(chǎn)業(yè)化落地。層狀雙鈣鈦礦PrBaFe2O5+δ(PBF)是無(wú)鎳陽(yáng)極代表性材料，其A位Pr、Ba離子沿c軸有序分層排布，獨(dú)特晶體結(jié)構(gòu)帶來(lái)可觀電催化活性，但原子有序構(gòu)型限制氧空位生成、氧離子輸運(yùn)僅局限二維平面，同時(shí)材料表面水活化能力弱，甲烷蒸汽重整與積碳消除動(dòng)力學(xué)緩慢，難以滿足大功率、長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行需求。如何在原子尺度精準(zhǔn)調(diào)控鈣鈦礦陽(yáng)離子有序度，同步提升陽(yáng)極催化活性與抗積碳性能，是領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期存在的關(guān)鍵科學(xué)難題。
 

　　針對(duì)上述瓶頸，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出高熵構(gòu)型熵驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)無(wú)序化調(diào)控策略。在母體層狀鈣鈦礦PBF的Pr位點(diǎn)等摩爾引入La、Pr、Sm、Gd、Y五種稀土陽(yáng)離子，構(gòu)筑A位五元高熵鈣鈦礦陽(yáng)極材料La0.2Pr0.2Sm0.2Gd0.2Y0.2BaFe2O5+δ(HEP)。構(gòu)型熵最大化成為結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變核心驅(qū)動(dòng)力，徹底打破原有Pr/Ba分層有序結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)A位稀土離子與Ba離子晶格隨機(jī)均勻分布，完成從四方層狀有序相到立方無(wú)序單相鈣鈦礦的原子級(jí)重構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變顯著提高了對(duì)碳?xì)浠衔锶剂系碾娀瘜W(xué)氧化活性。此外，有序到無(wú)序的轉(zhuǎn)變?cè)鰪?qiáng)了陽(yáng)極的水合能力，加速了碳?xì)浠衔锶剂系恼羝卣统歼^(guò)程，從而賦予了增強(qiáng)的抗積碳性能。所設(shè)計(jì)的HEP陽(yáng)極在濕甲烷(3%H2O)中實(shí)現(xiàn)了774.53mW·cm-2的峰值功率密度和超過(guò)1000小時(shí)的穩(wěn)定性。
 

　　同步輻射XRD、球差電鏡HAADF-STEM、元素面分布等表征直觀證實(shí)了高熵?fù)诫s后特征層狀分裂衍射峰合并為單峰，晶格內(nèi)各類陽(yáng)離子無(wú)分層偏聚，形成均勻無(wú)序高熵晶體骨架。該策略具備普適性，在PrBaCo2O5+δ、PrBaMn2O5+δ兩類層狀鈣鈦礦體系中均可實(shí)現(xiàn)有序-無(wú)序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。
 

　　H2-TPR、EPR、XAFS 等表征證明有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變?nèi)趸疐e-O鍵，HEP相較PBF氧空位濃度顯著提升，氧離子擴(kuò)散通道拓展至三維空間。熱重弛豫與原位拉曼證實(shí)HEP氧空位可作為水吸附位點(diǎn)，擁有更快水汽解離與羥基生成動(dòng)力學(xué)，水合活化能力更強(qiáng)。DFT理論計(jì)算顯示HEP的Fe d帶中心相較PBF向費(fèi)米能級(jí)上移，F(xiàn)e位點(diǎn)缺電子特性增強(qiáng)，進(jìn)一步強(qiáng)化水分子吸附解離性能。
 

　　以HEP為陽(yáng)極、SSZ為電解質(zhì)組裝單電池，在700 ℃、濕甲烷(3% H2O)工況下，峰值功率密度高達(dá)774.53 mW·cm-2，是同等條件下PBF基電池(345.89 mW?cm-2)的2.2倍；550~650 ℃中低溫區(qū)間同樣保持優(yōu)異輸出功率，同時(shí)適配乙烷、丙烷、丁烷、甲醇多種碳?xì)淙剂?，燃料通用性?qiáng)。
 

　　長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性與抗積碳測(cè)試取得突破性成果。在700 ℃、800 mA?cm-2恒定電流、濕甲烷燃料下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行1000小時(shí)無(wú)明顯電壓衰減。而PBF陽(yáng)極電池短時(shí)間內(nèi)性能快速下滑。千小時(shí)測(cè)試后SEM形貌顯示HEP陽(yáng)極表面光滑無(wú)纖維狀積碳，Raman光譜未檢測(cè)到碳特征D/G峰；干甲烷積碳后通入濕氮?dú)?，HEP 表面積碳60分鐘內(nèi)完全氣化消除，而有序PBF積碳無(wú)法去除，揭示高熵?zé)o序結(jié)構(gòu)依靠強(qiáng)水合能力實(shí)現(xiàn)持續(xù)自除碳。
 

　　綜上所述，本工作首次建立構(gòu)型熵調(diào)控鈣鈦礦陽(yáng)離子有序度的普適方法，闡明“有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變—氧空位變化—水合催化—抗積碳”完整構(gòu)效關(guān)系，破解傳統(tǒng)無(wú)鎳鈣鈦礦陽(yáng)極活性與穩(wěn)定性難以兼顧的行業(yè)痛點(diǎn)。一方面，該高熵鈣鈦礦陽(yáng)極無(wú)需復(fù)雜表面改性、不依賴高水碳比工況，簡(jiǎn)化SOFC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)維成本，為天然氣、沼氣等就地利用分布式發(fā)電裝備提供核心電極材料；另一方面，熵驅(qū)動(dòng)原子無(wú)序化的調(diào)控思路可拓展至鈷基、錳基等全系列層狀鈣鈦礦功能氧化物，為高溫電催化、電解制氫、氧滲透膜等領(lǐng)域新型功能材料開(kāi)發(fā)提供全新范式。
 

　　引用：北理工團(tuán)隊(duì)在固體氧化物燃料電池領(lǐng)域取得重要進(jìn)展-北京理工大學(xué) 引用時(shí)間：【2026年6月25日】