三相边界

三相边界(TPB)是几何类别的相边界和三个不同相之间的接触位置。TPB的一个简单例子是海岸线，陆地、空气和海洋在此交汇，创造了一个由太阳能、风能和波浪能驱动的充满活力的位置，能够支持高水平的生物多样性。这个概念在描述燃料电池和电池中的电极时特别重要。例如对于燃料电池，三相是离子导体（电解质）、电子导体和用于传输气态或液态燃料分子的虚拟孔隙相。燃料电池用于发电的电化学反应在这三个阶段的存在下发生。因此，三相边界是电极内的电化学活性位点。发生在固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极上的氧还原反应可写为：O2（气体）+4e-（电极）→2O2-（电解质）不同的机制将这些反应物带到TPB以进行该反应。该反应的动力学是电池性能的限制因素之一，因此增加TPB密度将提高反应速率，从而提高电池性能。类似地，TPB密度也会影响在电池阳极侧氧离子和燃料之间发生的氧化反应的动力学。进出每个TPB的传输也会影响动力学，因此优化将反应物和产物带到活性区域的途径也是一个重要的考虑因素。研究燃料电池的研究人员越来越多地使用FIB-SEM和X射线纳米断层摄影等3D成像技术来测量TPB密度，以此作为表征细胞活性的一种方式。最近，

在仅由三相组成的系统中，三相边界是几何上的闭环线性特征，不与其他TPB相交，因此不会形成网络。最简单的TPB形状很容易使用两个任意大小的不同相位的相交球体悬浮在自由空间中（见图3），这会在球体的交叉处创建一个圆形的TPB。然而，在电极中，TPB环通常在三个维度(3D)上具有高度复杂和随机的形状。因此，TPB具有长度单位。对于电极，将TPB长度归一化为TPB密度为描述电极提供了重要的微观结构参数，从而提供了与电极尺寸无关的电池性能。TPB密度通常是体积密度，以平方反比长度为单位测量。

只有当每一相都连接到反应物质的来源和目的地以完成电化学反应时，三相边界才具有电化学活性。活性TPB通常被称为渗透TPB。例如，在SOFCNi-YSZ阳极金属陶瓷中，TPB必须：

• 可以从阳极气体入口获得氢气，并能够通过孔隙相网络将蒸汽排放到阳极气体出口
• 获得从电解质YSZ电解质相网络传输的氧离子
• 能够通过电子传导镍网络将电子从TPB传导到阳极集电器

除了增加TPB密度之外，增加活性物质与总TPB密度的比率以提高电极/电池性能电极显然是有利的。