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摘  要

广州大学叶思宇院士、汪宁副教授联合北海道大学青木芳尚教授从P-SOEC电解水制氢机制出发，结合其最新研究进展对电解池优化策略进行了细致的总结与分析，讨论了阻碍P-SOEC发展的关键因素，并对未来的研究方向提出了相应建议，以促进P-SOEC的发展，从而实现高效电氢转换。第一作者为广州大学唐春梅博士。

文章简介

氢能在全球能源结构优化中具有关键意义，利用可再生能源电解水制氢储氢可以实现能源跨季节、跨地域的优化配置。质子导体固态氧化物电解池（P-SOEC）具有原料成本低、环境影响小、理论电解效率高等优点，是电解水制备绿氢领域的研究重点和热点。然而，P-SOEC的发展和应用在关键材料和电池界面结构上（如电极、电解质、界面载流子匹配度、界面接触、电解效率和化学稳定性等）仍然面临着不少困难和挑战。广州大学叶思宇院士、汪宁副教授联合北海道大学青木芳尚教授从P-SOEC电解水制氢机制出发，结合其最新研究进展对电解池优化策略进行了细致的总结与分析，讨论了阻碍P-SOEC发展的关键因素，并对未来的研究方向提出了相应建议，以促进P-SOEC的发展，从而实现高效电氢转换。第一作者为广州大学唐春梅博士。

固态氧化物电解池一般分为高温氧离子导体固态氧化物电解池（O-SOEC）和中温质子导体固态氧化物电解池，如图1所示。P-SOEC的载流子为质子，相比氧离子具有低的激活能，工作温度低，从而呈现出更好的稳定性，且产物为干燥高纯氢气。经过几十年的发展，现有的P-SOEC通常由多孔阳极、致密电解质和多孔阴极构成。在阳极，水电解成氧离子和质子，氧离子氧化析出（OER）；质子则通过电解质传输至阴极，并与外部电子结合完成氢析出反应（HER）。OER反应动力学缓慢、需要更高的过电势，是限制P-SOEC电化学性能提高的一个关键因素，故现有研究多围绕阳极材料展开。

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图1. O-SOEC（A）和P-SOEC（B）的反应示意图。

如图2所示，本文总结了P-SOEC的三种质子引入机制和两种传输模式，并根据离子传导类型（氧离子/电子传导氧化物、氧离子/电子-质子复合氧化物、氧离子/质子/电子传导氧化物），着重介绍了阳极关键材料的最新进展。除材料成分及水化能力设计外，阳极、阳极/电解质界面结构设计也能显著影响阳极电化学反应活性，可采用渗透、原位溶出纳米颗粒、自构建超多孔三维结构、氧化沉积、界面优化、3D打印等手段来有效提升P-SOEC阳极反应活性及稳定性或改善制备方法（图3）。

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图2. （A）P-SOEC水化反应机理，（B）质子传输机制和（C）三种阳极材料离子传导类型。

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图3. P-SOEC的三维阳极结构及器件。

本文总结了自2010年到2023年报道的P-SOEC关键材料、结构及其对应电化学性能的重要发展，如图4所示。总结并对比了离子传导类型、材料成分、结构设计等优化手段对P-SOEC电流密度、极化电阻、电解效率和稳定性等电化学性能的影响。并概述了P-SOEC电解水在实际应用中面临的挑战，包括但不限于阳极材料的电催化反应活性及稳定性、电池漏电流与电解效率、活性反应面积等。

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图4. P-SOEC材料、结构及对应电化学性能的重要发展概述。

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图5. P-SOEC面临的问题和挑战。

最后，本文展望了P-SOEC的发展方向及需要克服的困难，并提出利用第一性原理、机器学习、计算流体力学等手段辅助开发关键材料、模拟电池工况的建议；开发创新的制造技术获取大面积电池，以推动P-SOEC从电池到电堆、到示范化应用的进程。

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