質(zhì)子陶瓷電化學(xué)電池（PCEC）作為一種清潔且環(huán)保的高效能源轉(zhuǎn)換/存儲(chǔ)裝置，在能源領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。在燃料電池模式下，能夠?qū)⒒瘜W(xué)燃料直接轉(zhuǎn)化為電能；在電解模式下，能夠分解水或輕質(zhì)烷烴（例如甲烷、乙烷和丙烷）來(lái)生成高價(jià)值的化學(xué)品。然而，隨著PCEC的工作溫度降低，緩慢的電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)嚴(yán)重阻礙了其電化學(xué)性能，特別是在氧還原反應(yīng)（ORR）、氧析出反應(yīng)（OER）以及非氧化性乙烷脫氫（EDH）等關(guān)鍵反應(yīng)中。對(duì)此，華南理工大學(xué)陳宇團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)出了一種三功能尖晶石基電極MCCO-CO，由Mn0.9Cs0.1Co2O4-δ和Co3O4（質(zhì)量比為8:2）組成，可在PCEC中實(shí)現(xiàn)高效的氧還原/析出反應(yīng)和非氧化性乙烷脫氫。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在700°C下，具有MCCO-CO電極的單電池在FC模式下達(dá)到了令人鼓舞的峰值功率密度1.73W/cm2，EC模式下，在1.3V時(shí)的電流密度為-3.93A/cm2。此外，MCCO-CO電池在FC模式和EC模式下均表現(xiàn)出了良好的運(yùn)行穩(wěn)定性。在FC模式下運(yùn)行了223小時(shí)，在EC模式下運(yùn)行了209小時(shí)，均未見(jiàn)性能明顯下降。更值得一提的是，MCCO-CO單電池在1.5V和700°C下展現(xiàn)出優(yōu)異的乙烷轉(zhuǎn)化乙烯性能(轉(zhuǎn)化率為40.3%，選擇性為94%)和出色的H2生成速率4.65 mL/min/cm2，且具有合理的法拉第效率。

圖1 MCCO粉末的晶體結(jié)構(gòu)和特性。a)MCCO材料的精細(xì)XRD圖案。b)MCCO在600°C下蒸汽處理（30%H2O）10小時(shí)之前和之后的XRD圖案。c)MCO和MCCO粉末的XRD圖案。d)MCCO的高分辨率TEM圖像和快速傅里葉變換圖案。e)MCO和MCCO的Co 2p XPS曲線。f)MCO和MCCO的Mn 2p XPS結(jié)果。g)MCCO的HAADF圖像和EDS映射結(jié)果。h)MCCO的O 1s XPS曲線。i)300-800°C下MCO和MCCO的電導(dǎo)率。

圖2 MCCO-CO電極的電化學(xué)性能和耐久性。a)在500-700°C下測(cè)量的MCCO-CO的EIS。b)在不同頻率范圍內(nèi)MCO、MCCO和MCCO-CO的Rp比較。c)MCCO-CO和其他電極的Rp值比較。d)在含有3%H2O的空氣中600°C時(shí)MCO、MCCO和MCCO-CO的短期穩(wěn)定性。e)在不同測(cè)試時(shí)間的MCO、MCCO和MCCO-CO的EIS。f)不同氧分壓下MCCO-CO對(duì)稱(chēng)電池的EIS。g)MCCO-CO的Rp與p O2的依賴(lài)關(guān)系。h)不同水分壓下MCCO-CO對(duì)稱(chēng)電池的EIS。i）MCCO–CO的Rp依賴(lài)性與p H2O的關(guān)系。

圖3帶有MCCO-CO電極的PCEC在氧還原和水分解反應(yīng)中的電化學(xué)性能。a)在500-700°C下以FC模式測(cè)試MCCO-CO電池的I-V-P曲線。b)在500-700°C下以EC模式測(cè)試的MCCO-CO電池的I-V曲線。c)MCCO-CO與其他報(bào)告的電極比較。d)在500-700°C下測(cè)量的MCCO-CO單電池的EIS。e)MCCO-CO電池的SEM圖像。在650°C下以f)FC模式和g)EC模式測(cè)試的單電池的耐久性。h）在650°C時(shí)電流密度為±0.5 A/cm2的可逆循環(huán)操作，兩種模式之間切換間隔為2小時(shí)。i）在不同電解電流密度和蒸汽濃度下，采用MCCO-CO尖晶石氧電極的電池的H2生成速率和法拉第效率。

圖4 MCCO-CO電池用于乙烷非氧化脫氫的性能。a）PCEC中乙烷轉(zhuǎn)化為乙烯的示意圖。b）700°C下MCO、MCCO和MCCO-CO電極用于EDH的I-V曲線。c）1.3-1.5V下使用MCO、MCCO和MCCO-CO電極進(jìn)行乙烷非氧化脫氫的短期穩(wěn)定性。d）1.3-1.5V下的乙烷轉(zhuǎn)化率和乙烯選擇性。e）700°C下使用MCCO-CO電極進(jìn)行乙烷電化學(xué)非氧化脫氫的產(chǎn)物分析。f）1.3-1.5 V下EDH過(guò)程中具有不同尖晶石氧電極的電池的H2生成速率。g）MCCO-CO與其他最近報(bào)道的電極中乙烷轉(zhuǎn)化率的比較。