为了减少对化石燃料的依赖和减少二氧化碳排放，可再生能源和可持续能源发电厂在这几十年来得到了迅速发展。然而，这种能源系统的间歇性和可变性给微电网运营带来了挑战，因此开发高效的能量转换/存储技术至关重要。质子陶瓷电化学电池(PCEC)是一种基于质子导体的固体氧化物电池，它以可逆的方式储存可再生能源，利用水电解生产氢，然后在燃料电池模式中将其转化为电能。然而，PCECs的大规模应用仍然面临许多挑战，因为在中等温度下电极动力学缓慢，材料和界面的寿命较短。为了实现高效的电解制氢和稳定的发电，迫切需要高强度和耐用的电极来促进水氧化和氧还原反应，这是电解和燃料电池运行的关键步骤，尤其是在降低温度的情况下。目前，离子与电子导电(MIEC)混合电极中的水氧化反应(WOR)和氧还原反应(ORR)都被严格限制在离子、电子和气体相遇的三相边界(TPBs)上。因此，在PCEC系统中，非常需要将质子传导引入MIEC材料中以形成三重导电氧化物（TCO），即电子，氧离子和质子，即将TPBs从电解液/电极界面扩展到电极本体。

有鉴于此，美国爱达荷国家实验室的Dong Ding等人，设计制备了PrNi_0.5Co_0.5O_3-δ钙钛矿的三导电氧化物作为氧电极，在400〜600℃下表现出优异的电化学性能。在不添加任何氢气的情况下，将电解制得的氢气转化为电能，成功地证明了该方法的自持续性和可逆性。

本文要点

1）在具有优异WOR和ORR活性的PCEC中创建了钙钛矿TCO电极PrNi_0.5Co_0.5O_3−δ(PNC)。除了表现出优异的耐久性和热循环能力外，它还表现出优异的电化学性能以及在降低的温度范围（400〜600 C）下可自我维持性和可逆性。PNC的灵感来自于PrCoO₃(PCO)和镧系镍酸盐。PCO是在不掺杂碱土金属（例如Sr或Ba）的情况下进行氧离子传导的高活性氧电极，但在操作过程中往往会缓慢分离和降解。此外，镧系镍酸盐因其优异的耐高蒸气和宽氧分压性能而受到广泛关注。

2）该工作开发了PNC的TCO电极作为用于质子传导电化学电池的氧电极，该氧电极在中等温度范围内具有出色的性能，通过电解过程中产生的氢为燃料发电，实现了自持续可逆操作。

3）DFT计算和实验表征已经证实了质子缺陷的形成和质子迁移能的降低，从而促进了活性WOR/ORRs在整个电极中的扩展。

总之，该工作提出的PNC电极的合理设计为其他电化学系统的设计提供了借鉴，自持续性的PCEC代表了一种以氢为能源载体的新型储能和转换模型。

参考文献：

Ding, H., Wu, W., Jiang, C. et al. Self-sustainable protonic ceramic electrochemical cells using a triple conducting electrode for hydrogen and power production. Nat Commun 11, 1907 (2020).

DOI: 10.1038/s41467-020-15677-z

https://doi.org/10.1038/s41467-020-15677-z