【JMST封面文章】钪和磷共掺杂钙钛矿型高活性氧还原电催化剂

来源：研之成理

文章信息

钪和磷共掺杂钙钛矿型高活性氧还原电催化剂

第一作者： 徐玫瑰 博士          

通讯作者：  周嵬 教授   王纬 教授       

通讯单位： 南京工业大学              

DOI：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.09.007 

背景介绍

ORR是固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池和碱式燃料电池、金属-空气电池等能量转换装置中重要的电催化反应之一。近年来，氧还原反应取得了新进展。Pt是目前最先进的ORR电催化剂之一，具有较高的电催化活性。但Pt催化剂价格高、储量有限、稳定性较低，极大地限制了其大规模应用。ORR迟缓的动力学这一瓶颈问题，限制了这些能量转化装置的进一步发展，通过开发高性能的电催化剂是解决ORR催缓慢动力学问题的有效方法。新型ORR电催化剂的设计与开发主要分为两大类：一种是通过构建合金、复合材料等来减少Pt的用量，另一种是通过丰富廉价的非贵金属材料替代Pt。

图文解析

本工作开发了Sc和P共掺杂钙钛矿氧化物La0.8Sr0.2Mn0.95Sc0.025P0.025O3-δ (LSMSP)作为一种非铂电催化剂，在碱性电解质中具有较好的氧还原（ORR）催化活性。LSMSP电催化剂的ORR活性和Pt/C相近，远高于La0.8Sr0.2MnO3-δ (LSM)、Sc掺杂的LSM和P掺杂的LSM电催化剂（图 1）。

图 1 LSM、LSMP、LSMS, LSMSP和 Pt/C在O2饱和0.1 M KOH中的线性扫描伏安曲线（转速1600 rpm）

具体地说，LSMSP电催化剂在过电位方面表现出最优异的性能 (Eonset为0.96 V vs. RHE 且 E1/2 为 0.81 V vs. RHE)，明显优于LSM (0.86和0.61 V vs. RHE)，La0.8Sr0.2Mn0.95Sc0.05O3-δ  (LSMS) (0.89和0.65V vs. RHE)和La0.8Sr0.2Mn0.95P0.05O3-δ (LSMP) (0.96和0.67 V vs. RHE)。此外，与Pt/C相比，LSMSP在循环试验中表现出更好的ORR稳定性（图 2）。

图 2 LSMSP和Pt/C在在O2饱和的0.1 M KOH中500个循环前后获得的线性扫描伏安曲线

LSMSP的优异ORR性能可以归因于增加的Mn3+和Oads，较大的表面积，较小的颗粒尺寸和协同共掺杂效应，这表明P和Sc的共掺杂是提高LSM的电催化活性的有效策略，这为开发可以用于各种电催化应用的其他钙钛矿氧化物开辟了新的方向。

作者简介

周嵬，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。研究方向包括：低温固体氧化物燃料电池关键材料；质子交换膜燃料电池关键材料；新型低温氧还原、析氧、析氢、二氧化碳还原催化剂；固废资源化深度利用；直接碳燃料电池；太阳能电池；高级氧化反应；电化学传感器。

迄今在国际主流期刊上发表SCI论文240余篇，其中包括Nature Energy、Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、等国际著名刊物，论文总共被引用10000余次，h-index=58。