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高温固体氧化物燃料电池多孔电极结构介尺度研究方法
摘要：
高温固体氧化物燃料电池多孔电极是重要的电极结构之一，其优异的催化活性和高稳定性大大促进了固体氧化物燃料电池的发展。介尺度的微观结构是影响电极性能的关键因素之一。本文介绍了高温固体氧化物燃料电池多孔电极介尺度研究方法，包括透射电镜、扫描电子显微镜、原位荧光显微镜、同步辐射X射线磨蚀和CT成像。通过这些方法，可以研究多孔电极内部的孔隙分布、电化学活性相分布等重要微观结构特征，为电极设计和优化提供了重要参考。
关键词：高温固体氧化物燃料电池；多孔电极；介尺度研究；透射电镜；扫描电子显微镜；原位荧光显微镜；同步辐射X射线磨蚀；CT成像
1.引言
高温固体氧化物燃料电池具有高效能、环保、多燃料适应性等优点，在能源转换和储存领域得到广泛应用。多孔电极作为重要的电极结构之一，因其独特的孔隙结构和催化活性而备受关注。多孔电极内部介尺度的微观结构是影响其性能的关键因素之一，包括孔隙分布、孔径分布、孔隙连通性、电化学活性相分布等[1-3]。因此，多孔电极的介尺度研究具有重要意义，可以为电极设计和优化提供重要参考。
2.透射电镜
透射电镜是一种非常有效的研究多孔电极介尺度微观结构的手段。透射电镜可以实现高分辨率的成像，可以直接观察材料内部的微观结构，如孔径、孔隙分布、晶体结构等[4]。通过透射电镜观察多孔电极的显微结构可以揭示其电化学活性相分布、孔隙连通性等信息。例如，Nguyen等人[5]使用透射电镜研究La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-δ（LSCF）多孔电极，发现电极内部的孔隙分布不均匀，孔径大小接近，并提出了一种新的电极设计方案，通过改变气体扩散层（GDL）梳齿的形状可以优化电极氧气扩散性能。
3.扫描电子显微镜
扫描电子显微镜是一种广泛应用于材料研究的成像技术。其高分辨率显微镜头和高度自动化成像功能可以进行快速、高精度的表面观察和成像。
通过扫描电子显微镜观察多孔电极内部的孔隙结构和表面形貌可以得到很多有用的信息，如孔隙分布、孔径大小、孔隙相连通性、电化学活性相分布等[6,7]。Hsu等人[8]使用扫描电子显微镜研究其中一种高温固体氧化物燃料电池多孔电极，发现电极内部孔隙大小和连通性对催化活性的影响，孔隙大小与燃料电池的工作效率密切相关，这提示我们应当改进电极的结构来提高其催化活性和稳定性。
4.原位荧光显微镜
原位荧光显微镜是一种用于荷电粒子在透明介质中的可视化研究的技术，因其非接触式、高灵敏度、高分辨率等特性广泛应用于电化学、材料科学等领域。原位荧光显微镜可以实时反映多孔电极内部反应的微观过程，如燃料氧化、氧还原反应等[9]。通过原位荧光显微镜可以研究其内部的二次相反应、反应物输送机制和各种反应物的转化率等重要作用机理[10]。Chen等人[11]通过原位荧光显微镜研究钴基多孔电极的反应行为，并分析了氧气和燃料在电极内部的输送机制，揭示电极内部流动特征及溶液内部反应的机制，为优化电极设计提供了有益信息。
5.同步辐射X射线磨蚀
同步辐射X射线磨蚀是一种实时观察薄膜和多孔材料内在结构的方法[12]。该技术使用同步辐射光源和X射线能谱，将X光束聚焦于材料表面，可以实时观测电极内部的结构动态变化和热电反应过程[13]。同步辐射X射线磨蚀可以在高温下进行，适用于多孔电极的研究，并能够提供有关电极化学反应，晶相生长等动力学信息[14]。如Gsell等人[15]使用这种方法研究多孔电极的导电性和晶相生长，发现不同沉积温度下晶化的缺陷不同，对电极的性能有着很大的改善作用。
6.CT成像
CT成像是一种非常广泛应用于医学领域的成像方法，可将三维物体进行无创断层成像，适用于密度不同的物质的表面成像[16]。CT成像能够显示出多孔电极内部的三维结构，包括孔隙形状、孔隙大小、孔隙连通性等信息，为电极结构设计和优化提供重要参考[17,18]。Deschenes-Simard等人[19]通过CT成像技术研究La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-δ（LSCF）多孔电极的孔隙连通性，通过分析电极内部的孔隙连通性和电化学反应区域来计算优化电极的氧气扩散性能和电极极化。
7.结论
介尺度的微观结构是影响多孔电极性能的关键因素之一，可以通过透射电镜、扫描电子显微镜、原位荧光显微镜、同步辐射X射线磨蚀和CT成像等多种方法对其进行分析。这些技术可以揭示多孔电极内部的孔隙分布、孔径分布、孔隙连通性、电化学活性相分布等重要介尺度微观结构特征，为电极设计和优化提供了重要参考。未来，我们还需要进一步探索新的高分辨率成像技术，以更好地理解多孔电极的介尺度结构和性能关系，为未来高性能的固体氧化物燃料电池电极设计提供精确的参考。