DOI: 10.1021/acsaem.2c01782

本研究通过同轴静电纺丝法直接制备了具有优异电化学性能的3D核-壳La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ（LSCF）@PrO2-δ纳米纤维，将其作为固体氧化物燃料电池（SOFC）正极。在LSCF@PrO2-δ纳米纤维中，异相PrO2-δ可以有效改善LSCF的低氧还原反应（ORR）活性。与LSCF纳米结构相比，具有3D核壳异质结构的LSCF@PrO2-δ纳米纤维有效地抑制了Sr在表面的偏析，提高了正极的稳定性。由于独特的微观结构、较大的比表面积和孔隙率，LSCF@PrO2-δ纳米纤维为电荷转移提供了连续的路径，并扩展了三相界面，有助于提高SOFC正极的ORR活性。在700℃下，LSCF@PrO2-δ纳米纤维的面积比电阻达到0.076Ω·cm2，与LSCF纳米纤维的0.117Ω·cm2和LSCF粉末的0.192Ω·cm2相比降低了35%和60%。当LSCF@PrO2-δ纳米纤维作为单电池正极时，700℃下其峰值功率密度达到1.17W·cm-2，经过100h的长期稳定性试验后，单电池的电压衰减率仅为每小时0.03%。因此，3D核壳LSCF@PrO2-δ纳米纤维为获得高性能SOFC正极提供了一种替代方法。

图1.（a）LSCF纳米纤维和LSCF@PrO2-δ纳米纤维的制备流程图，（b）30-800℃下LSCF/PVP和LSCF/PVP/PrOPrO2-δ在空气中的热重曲线。

图2.（a）所有正极材料和PrO2-δ粉末的XRD图，（b）所有正极材料在20-25°时的放大图像，（c）所有材料在30-35°时的放大图像，以及（d）由Scherrer公式计算的平均晶粒尺寸。

图3.（a-c）LSCF粉末、LSCF纳米纤维和LSCF@PrO2-δ纳米纤维的FE-SEM图像，以及（d）所有正极的N2吸附/解吸曲线和比表面积数据。

图4.（a）LSCF@PrO2-δ纳米纤维的高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像和（b）LSCF@PrO2-δ纳米纤维外径边缘的放大图。Box1和Box2的FFT图，晶格间距和谱线强度分布显示在（c-e）和（f-h）中。

图5.（a,b）所有正极的O1s和Sr3d轨道的XPS光谱，以及（c,d）所有正极的Co2p和Fe2p轨道的XPS光谱。

图6.（a-c）用于正极|GDC|正极对称电池的LSCF粉末、LSCF纳米纤维和LSCF@PrO2-δ纳米纤维在600-700℃测试区间内的EIS曲线，（d）所有正极的ASR总结图，（e）所有正极ASR（面积比电阻）的Arrhenius图，以及（f）拟合电路中高频电阻（R2）与低频电阻（R3）的比率。

图7.（a-c）不同氧分压下，LSCF粉末、LSCF纳米纤维和LSCF@PrO2-δ纳米纤维正极在700℃时的EIS曲线，（d-f）正极材料的高频电阻和低频电阻以及ASR对氧分压的依赖性。

图8.（a）所有单电池在700℃下的I-V-P曲线，（b）所有单电池在测试温度范围内的峰值功率密度，（c）Cell-3在700℃下的长期稳定性测试（恒电流密度为0.5A/cm2），（d）Cell-3的工作机理图。