DOI:10.1016/j.jechem.2020.07.026

混合离子电子导体（MIECs）作为固体氧化物燃料电池（SOFCs）的负极材料受到越来越多的关注，并且它们可用于降低SOFCs的工作温度。但是，人们对于复合金属-MIEC电极的性能限制因素和合理设计的指导原则一直缺乏了解。使用一种基于3D断层扫描和电化学阻抗谱的新方法，研究者首次量化了真实MIEC电极上双相边界（DPB）相对于三相边界（TPB）反应路径的贡献。在定量分析的基础上，开发了一种镍/钆掺杂二氧化铈（CGO）电极（典型的MIEC电极）的新设计策略，并提出了一种新型的Ni/CGO纤维-基体结构，该结构由商业粉末，通过静电纺丝和流延法相结合制备而成。镍含量仅为11.5％（体积）的镍/CGO纤维-基体电极，其极化电阻分别比纳米镍浸渍的CGO支架电极和常规金属陶瓷电极低32％和67％。使用真实电极结构的研究表明，与单纯增加TPB相比，增强DPB和氢动力学是提高电极性能更为有效的策略。

图1.元胞自动机算法的演示：（a）网格中三维Ni/CGO电极数据的2D横截面。灰色、白色和黑色网格分别代表Ni、CGO和孔。从给定点到Ni/CGO DPB的欧几里得距离用蓝色标记，而氧化铈内部距离用红色曲线表示（请注意，该最短路径在网格空间中不是唯一的）。（b）在元胞自动机收敛时，为每个二氧化铈电池分配一个值，该值表示二氧化铈到Ni/CGO DPB的距离。

图2.浸渍和金属陶瓷Ni/CGO的EIS和显微结构：（a）浸渍和金属陶瓷Ni/CGO在600℃，9.7％H2/87.3％N2/3％H2O中的EIS结果，减去电阻值；（b）二氧化铈-孔DPB密度随距镍相距离的分布。（c）浸渍Ni/CGO、（d）金属陶瓷1 Ni/CGO、（e）金属陶瓷2 Ni/CGO的FIB-SEM截面图；白相代表CGO，灰相为镍，黑相为孔。

图3.FMS Ni/CGO电极的SEM和EIS：（a）碳化NiO纤维膜和（b）预煅烧镍纤维膜的SEM图像；Ni/CGO纤维电极在（c）600℃、（d）700℃、（e）800℃时的EIS和拟合阻抗；（f）FMS、浸渍、金属陶瓷1和2 Ni/CGO在600℃，10％H2/N2中的EIS，减去电阻值。

图4.所述电极结构的结构参数汇总：FMS、浸渍、金属陶瓷1和2 Ni/CGO电极的（a）镍含量，（b）TPB密度，（c）二氧化铈-孔DPB密度，（d）DPB电流与总电流之比。

图5.FMS Ni/CGO的DPB分布和模型：（a）铈-孔DPB密度随距镍相距离的累积分布；（b）二氧化铈-孔DPB密度随距镍相距离的分布。（c）的3D重建，从镍网络提取的单根镍纤维；（d）通过元胞自动机算法计算得出的镍纤维（灰色）和CGO，距镍表面（黄红色相）1μm以内。（e）从EIS实验和模型（FMS、浸渍、金属陶瓷1和金属陶瓷2 Ni/CGO）获得的R2的比较。

图6.所述电极结构的稳定性测试：（a）FMS Ni/CGO的阻抗：在3％H2O-9.7％H2-97％N2中于600℃老化118h，在800℃老化82h；浸渍Ni/CGO在相同条件下于600℃老化100h。（b）FMS Ni/CGO电极在600℃下测试后的FIB-SEM横截面图像，镍相显示为灰色，CGO显示为白色，孔显示为黑色。（c）未老化的FMS电极、（d）老化的FMS电极、（e）未老化的浸渍电极、（f）老化的浸渍电极的SEM图像。