QuantumATK 新能源材料与器件合集（一）

研究 C₂₀ 富勒烯中乙炔键的影响：在光电设备和阳极材料中的应用

本研究深入探讨了 C₈₀ 富勒烯的各种特性，C₈₀ 富勒烯是在最小的富勒烯 C₂₀ 的每个链中加入乙炔键而得到，利用先进的理论计算证实了 C₈₀ 富勒烯的稳定性。值得注意的是，它具有有限的能隙（0.743 eV），因此被归类为半导体。通过对不同能量成分、电子密度拓扑描述符和化学反应性参数的研究，进一步了解其结构稳定性、成键性和反应性。由于 C₈₀ 富勒烯具有较高的电子亲和能（5.5 eV），因此可以充当自由基清除剂。光谱分析揭示了 C₈₀ 富勒烯在近红外区域的吸收性，以及在特定电磁波谱区域可忽略不计的光学透明度。此外，还研究了 C₈₀ 富勒烯作为锂离子电池阳极材料的可行性。锂离子与 C₈₀ 富勒烯的 C 原子间存在低吸附能（-1.693 eV）和大量的 Bader 电荷转移（0.917 e），这证实锂离子在 C₈₀ 富勒烯上发生了化学吸附。值得注意的是，这个笼子可以容纳 12 个锂离子，C₈₀ 富勒烯结构中的每个五边形都有一个，理论电容为 335 mAh/g。（Applied Surface Science, 2025, 681: 161499. DOI:10.1016/j.apsusc.2024.161499）

单相六方结构作为低温固体氧化物燃料电池阴极的协同效应及电催化研究

提高电极材料在较低工作温度（600℃）下的电催化活性，特别是氧还原反应（ORR），是实现固体氧化物燃料电池（SOFCs）商业化研究的首要任务。在此基础上，利用 SrFe₁₂O₁₉ 氧化物中分别共掺杂 Gd₂O₃ 和 Cr₂O₃ 制备一种新型六方结构正极材料。在 550 ~ 475 ℃ 下，Sr_0.90Gd_0.10Fe_11.90Cr_0.10O₁₉（SFO-10）阴极样品的峰值功率密度（PPD）高达 395 mW/cm²， x 射线光电子显微镜（XPS）证实其表面氧缺陷（O_β）高达 17%。理论计算表明，Gd 和 Cr 的共掺杂在六方晶格处产生晶格无序，降低了离子输运的能垒，提高了 ORR 的电催化性能。因此，SFO-10 阴极在掺杂钆的铈（GDC）电解液中表现出良好的 ORR 活性，在 550 °C 时具有最低的低极化电阻（ASR）。本研究提供了一种自组装的单相六方阴极，可以加速 SOFC 技术的低温阻碍。（Journal of Rare Earths, 2024. DOI:10.1016/j.jre.2024.06.027）

第一性原理计算预测 SiP₂ 单层作为 Na/K 离子电池的潜在负极材料

本研究基于密度泛函理论（DFT）对单层 SiP₂ 作为 Na/K 离子电池潜在负极材料的系统可行性进行分析。通过从头算分子动力学（AIMD）计算，结果表明 SiP₂ 具有出色的稳定性。超低的离子扩散势垒（Na 为 0.107 eV，K 为 0.043 eV）以及碱金属离子吸附后的金属特性表明，当用作负极时，SiP₂ 具有快速的充放电速率和出色的电导率。此外，它还具有相当大的理论存储容量（Na/K：446.53/595.38 mAh/g）和能量密度（Na/K：1026.91/1322.46 mWh/g）。这些发现表明，单层 SiP₂ 作为 Na/K 离子电池的潜在负极材料具有优越的性能。（Surfaces and Interfaces, 2024, 54: 105264. DOI: 10.1016/j.surfin.2024.105264）

稀土掺杂 Gd 氧化物离子在 CoFe₂O₄ 阴极中对低温固体氧化物燃料电池（LT-SOFCs）ORR 催化活性的增强

寻找具有快速氧还原反应（ORR）催化活性和高离子电导率的正极材料是 SOFCs 商业化和低温运行的关键障碍。为探索具有增强催化功能的阴极，本文报道了单相 CoFe₂O₄（CFO）和 CoGd_0.2Fe_1.8O₄（CGFO）作为活性阴极，可以在低温下提高电催化 ORR 功能。结果表明，在 H₂/air 条件下，富氧空位的 CGFO 极化电阻（R_P）最小，为 0.42 Ωcm²，而纯 CFO 极化电阻为 0.56 Ωcm²。此外，密度泛函理论（DFT）计算也表明，氧空位的数量在 CGFO 样品中增加。在 550 ℃ 时，CGFO 阴极 SOFC 的峰值功率密度（PPD）为 475 mW/cm²，高于 CFO 阴极 SOFC 的 315 mW/cm²。随后，快速的 ORR 催化功能和最小的电极极化电阻使尖晶石铁氧体基 CGFO 成为低温 SOFCs 的潜在阴极。（Ceramics International, 2022, 48(19): 28142-28153. DOI:10.1016/j.ceramint.2022.06.119）

界面活性位点 p-n 异质结 SFT/WO₃ 在 400-500 ℃ 下增强燃料电池性能

在燃料电池中，通过抑制电子传导、构建异质结构、内建电场（BIEF）以及在晶格内创造更活跃的位点，可以优化电解质的增强离子电导率。在燃料电池领域，高离子电导率和抑制电子传导至关重要。一种可能的方法是合成 II 型异质结以实现高离子电导率和增强的燃料电池性能。基于此观点，通过将单独的 SFT（p-型）和 WO₃（n-型）半导体复合，合成 p-n 异质结 SFT-WO₃。所获得的 SFT-WO₃ 展现出令人印象深刻的燃料电池性能，功率密度为 875 mW/cm²，离子电导率为 0.2 S/cm，并且在 520 ℃ 的低工作温度下开路电压为 1.04 V。出色的燃料电池性能和高离子电导率可解释为 SFT-WO₃ 异质结与内建电场之间的协同效应。各种表征（XRD、SEM、HR-TEM、UV-visible、UPS 和 XPS）证实了 SFT 和 WO₃ 之间的异质结形成。此外，还证实了 SFT-WO₃ 结构的能带结构和价带偏移。同时，进行理论计算（DFT 计算）以支持实验结果。发现表明，合成的异质结构 SFT-WO₃ 是一种性能良好且前景广阔的电解质，为开发基于低温的燃料电池技术电解质提供了新的思路。（Materials Today Sustainability, 2022, 20: 100229. DOI: 10.1016/j.mtsust.2022.100229）

---