质子陶瓷电化学电池（PCEC）作为一种清洁且环保的高效能源转换/存储装置，在能源领域展现出了巨大的潜力。在燃料电池模式下，能够将化学燃料直接转化为电能；在电解模式下，能够分解水或轻质烷烃（例如甲烷、乙烷和丙烷）来生成高价值的化学品。然而，随着PCEC的工作温度降低，缓慢的电极反应动力学严重阻碍了其电化学性能，特别是在JD足球反波胆APP下载还原反应（ORR）、JD足球反波胆APP下载析出反应（OER）以及非JD足球反波胆APP下载化性乙烷脱氢（EDH）等关键反应中。对此，华南理工大学陈宇团队成功开发出了一种三功能尖晶石基电极MCCO-CO，由Mn0.9Cs0.1Co2O4-δ和Co3O4（质量比为8:2）组成，可在PCEC中实现高效的JD足球反波胆APP下载还原/析出反应和非JD足球反波胆APP下载化性乙烷脱氢。


实验结果表明，在700°C下，具有MCCO-CO电极的单电池在FC模式下达到了令人鼓舞的峰值功率密度1.73W/cm2，EC模式下，在1.3V时的电流密度为-3.93A/cm2。此外，MCCO-CO电池在FC模式和EC模式下均表现出了良好的运行稳定性。在FC模式下运行了223小时，在EC模式下运行了209小时，均未见性能明显下降。更值得一提的是，MCCO-CO单电池在1.5V和700°C下展现出优异的乙烷转化乙烯性能(转化率为40.3%，选择性为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。

图1 MCCO粉末的晶体结构和特性。a)MCCO材料的精细XRD图案。b)MCCO在600°C下蒸汽处理（30%H2O）10小时之前和之后的XRD图案。c)MCO和MCCO粉末的XRD图案。d)MCCO的高分辨率TEM图像和快速傅里叶变换图案。e)MCO和MCCO的Co 2p XPS曲线。f)MCO和MCCO的Mn 2p XPS结果。g)MCCO的HAADF图像和EDS映射结果。h)MCCO的O 1s XPS曲线。i)300-800°C下MCO和MCCO的电导率。

图2 MCCO-CO电极的电化学性能和耐久性。a)在500-700°C下测量的MCCO-CO的EIS。b)在不同频率范围内MCO、MCCO和MCCO-CO的Rp比较。c)MCCO-CO和其他电极的Rp值比较。d)在含有3%H2O的空气中600°C时MCO、MCCO和MCCO-CO的短期稳定性。e)在不同测试时间的MCO、MCCO和MCCO-CO的EIS。f)不同JD足球反波胆APP下载分压下MCCO-CO对称电池的EIS。g)MCCO-CO的Rp与p O2的依赖关系。h)不同水分压下MCCO-CO对称电池的EIS。i）MCCO–CO的Rp依赖性与p H2O的关系。

图3带有MCCO-CO电极的PCEC在JD足球反波胆APP下载还原和水分解反应中的电化学性能。a)在500-700°C下以FC模式测试MCCO-CO电池的I-V-P曲线。b)在500-700°C下以EC模式测试的MCCO-CO电池的I-V曲线。c)MCCO-CO与其他报告的电极比较。d)在500-700°C下测量的MCCO-CO单电池的EIS。e)MCCO-CO电池的SEM图像。在650°C下以f)FC模式和g)EC模式测试的单电池的耐久性。h）在650°C时电流密度为±0.5 A/cm2的可逆循环操作，两种模式之间切换间隔为2小时。i）在不同电解电流密度和蒸汽浓度下，采用MCCO-CO尖晶石JD足球反波胆APP下载电极的电池的H2生成速率和法拉第效率。

图4 MCCO-CO电池用于乙烷非JD足球反波胆APP下载化脱氢的性能。a）PCEC中乙烷转化为乙烯的示意图。b）700°C下MCO、MCCO和MCCO-CO电极用于EDH的I-V曲线。c）1.3-1.5V下使用MCO、MCCO和MCCO-CO电极进行乙烷非JD足球反波胆APP下载化脱氢的短期稳定性。d）1.3-1.5V下的乙烷转化率和乙烯选择性。e）700°C下使用MCCO-CO电极进行乙烷电化学非JD足球反波胆APP下载化脱氢的产物分析。f）1.3-1.5 V下EDH过程中具有不同尖晶石JD足球反波胆APP下载电极的电池的H2生成速率。g）MCCO-CO与其他最近报道的电极中乙烷转化率的比较。