近日，南华大学资源环境与安全工程学院陶泽天教授团队在NatureCommunications上发表了题为“Spin-coordinated mixed-valence transport via indium-induced perovskite-spinel heterointerface in oxygen electrode for reversible protonic ceramic cells”的研究论文。该研究创新性地提出了一种自旋协同异质界面工程（Spin-coordinated heterointerface engineering）策略，通过铟诱导钙钛矿表面原位自组装Co₃O₄尖晶石相异质界面，建立贯穿体相—界面的自旋协同混合价传输通路，实现体相双交换导电与界面小极化子输运的协同耦合，显著提升空气电极氧还原/析氧反应动力学，为高性能可逆质子陶瓷电化学电池空气电极设计提供了新的研究思路。在读博士生昌胤霖、刘涛和饶敬远为本文共同第一作者，陶泽天教授为论文通讯作者，南华大学资源环境与安全工程学院为论文第一完成单位。

可逆质子陶瓷电化学电池兼具高效发电与高温电解制氢功能，是未来绿色氢能制备和储能转换的重要候选技术之一。然而，其整体性能仍受限于空气电极缓慢的氧还原/析氧反应动力学。近年来，元素掺杂、氧空位调控及异质结构构筑等策略虽然能够改善局部反应活性，却难以实现体相电子输运与界面氧电催化过程的协同优化。此外，氧电催化过程中普遍存在的自旋选择效应进一步增加了电子转移能垒，成为制约高性能空气电极发展的关键科学问题。

自旋相关的混合价态输运在体-界面路径上的传输

基于此，陶泽天教授团队提出了自旋协同异质界面工程设计策略，通过铟调控Pr_0.5Ba_0.5Co_0.7Fe_0.3O_3-δ表面原位自组装Co₃O₄尖晶石异质界面，并诱导Co元素选择性迁移及体相自旋-价态重构。该策略在钙钛矿体相形成基于Co³⁺/Co⁴⁺混合价态的双交换电子传输路径，同时在Co₃O₄尖晶石界面构建小极化子输运通道。，实现贯穿体相—界面的连续自旋协同混合价电子传输，大幅降低氧还原和氧析出反应能垒，有效突破传统氧电催化中体相电子输运与界面反应难以协同调控的瓶颈。

R-PCECs空气电极上反应机理的DFT分析

基于该设计策略，PBCFIn05空气电极在600℃燃料电池模式下实现了1.58W cm^-2的峰值功率密度，在电解模式下在1.3 V下实现了2.16 A cm^-2的电流密度，综合性能处于国际同类研究的世界一流水平，同时兼具优异的双模式电催化活性和长期稳定运行能力。该工作不仅揭示了自旋协同混合价传输促进氧电催化的新机制，也为高性能可逆质子陶瓷电化学电池空气电极设计提供了新的理论基础和材料设计策略，对先进固体能源转换与储能器件的发展具有重要意义。