深圳大学化学与环境工程学院范梁栋课题组在固体氧化物燃料电池和电解池（电解CO2）研究方向取得系列进展，相关研究成果先后在Nano Energy、Electrochemical Energy Reviews、Small、Science China Materials、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Power Sources等期刊上发表。

随着现代社会的快速发展，人类对于能源的需求日益增加，传统燃料的过度使用造成了大量温室气体二氧化碳（CO2）的排放，太阳能、风能等新能源又因为其不稳定性等问题限制着其有效利用。利用新能源的多余电量将CO2转化为其他可燃类气体，如一氧化碳或者碳氢燃料气体，是充分利用新能源和节能减排的有效方案。固态氧化物电解池（SOECs）由于其高效的转化效率和有利的热动力学条件，受到许多研究工作者的关注并将它们应用在CO2的电解中。题为《Enhancing Electrochemical CO2 Reduction on Perovskite Oxide for Solid Oxide Electrolysis Cells through In Situ A-Site Deficiencies and Surface Carbonate Deposition Induced by Lithium Cation Doping and Exsolution》的研究性论文由硕士研究生林万斌为第一作者，深圳大学范梁栋、台北科技大学Te-Wei Chiu与哈尔滨工业大学（深圳）潘泽华为共同通讯作者合著。深圳大学为第一作者单位和第一通讯单位。该论文近期发表于国际期刊Small（影响因子15.153，中科院大类 1区）上。

该工作报道了一种通过小半径、低电负性和高碱度的Li离子修饰钙钛矿La0.6-xLixSr0.4Co0.7Mn0.3O3-δ阴极来改善催化还原CO2性能的方法。实验和理论计算结果证明了Li的掺杂可以提高材料的氧空位浓度和改变B位离子的化学环境，同时Li在高温CO2环境中原位出溶形成的碳酸锂可充当CO2新的催化吸附位点，帮助二氧化碳的吸附和活化。组装的电解CO2的SOEC电池La0.55Li0.05Sr0.4Co0.7Mn0.3O3-δ|LSGM|LSCF在800 oC、1.5V的纯二氧化碳条件下的电流密度比基于未掺杂的材料电解池的性能提升接近30%，且该电解池可稳定运行超过300小时。研究结果证实锂掺杂是提升钙钛矿氧化物阴极的CO2催化性能一种可行性新策略。

全文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202303305

可逆固体氧化物电池（RSOC）具有高效的能源转化效率，在同一器件上既可以将燃料如CO充分地转化为电能而不受卡诺循环的限制，又能在法拉第效率接近100%的情况下将CO2转化为CO等燃料进行可再生能源电力向化学能的储存。题为《Efficient reversible CO/CO2 conversion in solid oxide cells with a phase-transformed fuel electrode相变燃料电极实现固体氧化物电池高效可逆CO/CO2转化》的研究性论文由深圳大学博士后李一航为第一作者，深圳大学范梁栋为通讯作者合著。深圳大学为第一作者单位和唯一通讯单位。该论文发表于国际期刊Science China-Materials（中国科学系列-国内材料类旗舰期刊，影响因子8.64，中科院大类 1区）上。论文发表至今被引19次。

本工作提出了一种在氢气还原条件下能由双相钙钛矿Sr2Fe7/6Mo0.5Co1/3O6−δ（SFMCo）转变成Ruddlesden-Popper相钙钛矿Sr3Fe1.25Mo0.75O7−δ和CoFe合金纳米颗粒双相复合的材料，得益于这种双相的异质结构作用和CoFe合金的强催化效果，以该材料组装的单电池SFMCo/SDC//YSZ//LSM-SDC在800 oC、2:1 CO-CO2下具有259 mW cm−2的最高放电功率密度，1.3V的电压下有−0.453 A cm−2的电解电流，并且其在20次的0.6V与1.3V之间的固体氧化燃料电池（SOFC）和SOEC循环操作过程中依旧保持稳定。论文还系统的研究CO2还原和CO氧化反应动力学和确定相关速控步骤。该工作为今后设计可逆固体氧化物电池电极高效转换和利用CO2提供了指导和帮助。

全文链接：https://doi.org/10.1007/s40843-020-1531-7

在上述工作的基础上，范梁栋课题组采用外延生长技术在钙钛矿氧化物表面生长NiFe合金用于CO2/CO高效可逆转化。题为《Mutual Conversion of CO–CO2 on a Perovskite Fuel Electrode with Endogenous Alloy Nanoparticles for Reversible Solid Oxide Cells》的研究性论文由西安电子科技大学副教授/深圳大学博士后李一航为第一作者，深圳大学李一航博士后、范梁栋特聘副研究员和芬兰阿尔托大学Peter Lund为共同通讯作者著作。该论文发表于国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces（影响因子10.383，中科院大类1区）上。论文发表至今已被引31次。

本工作报道了一种氢气气氛下能原位外延生长合金纳米颗粒的材料Sr1.97Fe1.5Mo0.5Ni0.1O6−δ（SFMN），并将其应用在可逆固态氧化物电池中，组装的SFMN//SDC//LSGM//LSCF-SDC单电池在800 oC，燃料电池和电解池模式下分别获得了443 mW cm−2的最高功率密度和-0.877 A cm−2的电流密度（1.46V），性能优于原始材料Sr2Fe1.5Mo0.5O6−δ和传统的Ni-YSZ电极，并表现出优异的抗积碳潜力和实现了40小时内20次循环可逆SOFC/SOEC的稳定运行。因此，该工作为RSOC设计高活性和稳定性的燃料电极提供了一种可行性方案。

全文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c23548

CO2还原反应基元步骤多（分子扩散、吸附、解离、电荷转移和CO脱附等）和能耗高，单相催化材料较难实现多步骤高效催化转化。范梁栋课题组针对性设计和合成了复合电极催化剂提升CO2的催化转化能力。题为《Achieving excellent and durable CO2 electrolysis performance on a dual-phase fuel electrode in solid oxide electrolysis cells》的研究性论文由深圳大学博士后李一航和2020级研究生李炎璞同学为共同一作、深圳大学范梁栋为通讯作者合著，深圳大学为第一作者单位和唯一通讯单位。该论文发表于国际期刊Journal of Power Sources（影响因子9.794，中科院大类1区）上。论文发表至今已被引16次。

本工作通过自组装法一锅合成了名义组成为Pr0.2Ca0.8Fe0.8Ni0.2O3实际包含钙钛矿Pr(Ca)Fe(Ni)O3-δ和钙铁石Ca2Fe2O5两相材料。得益于Ca2Fe2O5丰富的氧空位浓度所带来的较强的CO2吸附能力和两相材料复合效果，该材料在800 oC下给出了高出常规钙钛矿材料一个数量级的表面化学交换系数（1.104×10−4cm−1）；基于其组装的电解池Pr(Ca)Fe(Ni)O3-δ-Ca2Fe2O5//LSGM//LSCF在800 oC/1.5V的条件下获得0.648 Acm−2的电流密度，并在变温变负载模拟电解CO2测试中维持了接近300小时的稳定性。因此，自组装法为复合电极材料的设计和合成开辟了新策略。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.229599

范梁栋课题组还将上述出溶或外延生长构建的金属/氧化物-钙钛矿氧化物复合材料用于新型陶瓷燃料电池（又称单层燃料电池或半导体-离子燃料电池）。题为《Approaching Durable Single-Layer Fuel Cells: Promotion of Electroactivity and Charge Separation via Nanoalloy Redox Exsolution》研究性论文由硕士研究生邵康同学为第一作者、深圳大学范梁栋为通讯作者合著，深圳大学为第一作者单位和唯一通讯单位。该论文发表于国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces（影响因子9.229，中科院大类1区）上。该工作发表至今已被引61次。

   该工作利用钙钛矿材料本身氧化还原结构稳定的特点，结合表面原位溶出金属纳米颗粒构建金属-钙钛矿半导体异质结，既提升新型陶瓷电池的催化氧还原和氢氧化反应速率，又有效构建广义尺度的p-n结和肖特基结，后者有效缓解半导体“电解质”内部短路问题，并一定程度稳定单电池性能，实现高效和稳定燃料电池“一石二鸟”的效果。在该工作基础上，以课题组题硕士研究生汪增辉同学和孟元靖博士后为共同第一作者、深圳大学范梁栋为通讯作者在ACS Applied Materials & Interfaces（影响因子10.383）上发表题为《Ni/NiO exsolved perovskite La0.2Sr0.7Ti0.9Ni0.1O3−δ for semiconductor-ionic fuel cells: Roles of electrocatalytic activity and physical junctions》的研究性论文，深圳大学为第一作者单位和唯一通讯单位。该工作在阳极添加功能催化层，联合可行的钙钛矿表面溶出和功能催化能还原分别从微观和宏观（体）尺度构建了金属-钙钛矿半导体异质结，显著提升电极催化性能和电荷分离效率，相应半导体离子燃料电池的最大功率密度相比未修饰电池提升一个数量级以上。上述工作为新型电池的效率和稳定操作以及理解其相应工作原理提供方法借鉴和参考。

全文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.9b08448

https://doi.org/10.1021/acsami.2c16002

此外，范梁栋课题组还联合瑞典皇家工学院/东南大学朱斌教授课题组、新加坡南洋理工大学Su Pei-Chen教授、巴基斯坦COMSATS University Islamabad的Rizwan Raza教授和西安建筑科技大学云斯宁教授等先后以第一作者和共同通讯作者在Nano Energy（影响因子：15.548，中科院大类一区）和Electrochemical Energy Reviews（影响因子：32.804，中科院大类一区）发表了题为《Nanomaterials and technologies for low temperature solid oxide fuel cells: Recent advances, challenges and opportunities》和《Semiconductor Electrochemistry for Clean Energy Conversion and Storage》的综述评论论文，对纳米材料与工艺、半导体电化学在固体氧化物电池方向的最新研究进展进行了深入文献调研、综述、总结归纳和展望，对相关技术面临的挑战进行了讨论并提出了自己的见解。其中以第一作者发表的Nano Energy综述已被他引260余次，成为EIS高引论文（1%），曾入选ESI热点论文（1‰）。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.12.044

https://doi.org/10.1007/s41918-021-00112-8

上述研究工作和成果受到国家自然科学基金、广东省科技厅自然科学基金和教育厅高校科研项目、深圳市科创委面上项目以及深圳大学-台北科技大学联合项目等基金资助。