社会发展导致了能源短缺和环境污染成为当今两大全球性挑战，从而推动了对绿色高效能源转换设备的需求不断增加。固体氧化物燃料电池（SOFCs）是一种使用固体氧化物作为电解质的高温能源转换装置。由于其高燃料适应性、高能量效率以及环保无污染的特性，它们吸引了全球研究人员的兴趣，并成为近几十年的研究热点。[1],[2],[3] 然而，传统SOFCs的高工作温度（800–1000°C）对商业化提出了严峻挑战，包括系统退化、热不匹配和成本过高。[4],[5],[6],[7] 因此，低温SOFCs（LT-SOFCs）的研究对于提高启动速度、延长使用寿命和促进SOFC技术的大规模应用具有重要意义。
LT-SOFCs运行的主要瓶颈在于阴极的氧还原反应（ORR），这是一个涉及氧吸附、解离、电荷转移和表面O2?扩散的多步骤过程。随着温度的降低，ORR速率呈指数级下降，导致阴极极化电阻急剧增加和整体性能恶化。[8],[9] 这种动力学限制源于氧表面交换和体相扩散过程的温度敏感性，而这些过程从根本上受点缺陷化学的控制。[10] 因此，通过合理的缺陷设计开发高性能阴极材料对于LT-SOFCs的发展至关重要。
在各种电池材料中，过渡金属氧化物（TMOs）已成为解决LT-SOFCs核心瓶颈的关键材料体系，包括电催化动力学缓慢、离子传输不足和界面不稳定性等问题，这归因于它们多样的价态、可调的缺陷化学性质以及优异的电催化活性。[11] 与SOFCs中使用的贵金属或单相陶瓷不同，TMOs通过成分调制、晶体结构设计和缺陷工程实现了离子传输、电子传导和催化反应的多功能集成。[12],[13],[14] 具有三重离子-电子导电性（TIEC）的TMOs可以同时传输电子、氧离子和质子。这一独特能力将电化学活性区域从传统的气-固-电解质三相边界扩展到整个阴极表面，显著提升了ORR动力学。[15] 为高性能LT-SOFCs阴极提供了不可或缺的材料基础。TMOs的性能直接决定了设备的发电效率和运行稳定性。缺陷工程是调节TMOs电化学性质的重要途径，这种方法可以克服TMOs在低温下的性能限制，从而有助于优化LT-SOFCs阴极的电化学和电催化性能。
除了传统的基于钴的钙钛矿外，由于成本、热膨胀不匹配和铬中毒等问题，无钴阴极的探索也日益受到重视。[16] 如铁氧体和锰氧化物等替代材料，严重依赖缺陷工程来弥补其固有的催化活性限制。[17],[18] 此外，质子陶瓷燃料电池（PCFCs）作为LT-SOFCs的补充技术，引入了新的材料设计范式。PCFCs阴极需要具备三重导电特性，以促进质子和氧生成水，这为缺陷介导的反应机制增加了新的复杂性。[19],[20]
TMOs中的点缺陷直接决定了离子传输、电子传导和表面反应动力学的行为，这三者是决定SOFCs阴极性能的核心机制。点缺陷工程通过调节表面电子结构和氧空位浓度来提高低温下的催化活性。[21],[22] 此外，诸如应变工程等先进策略通过引入外延应变来操控缺陷形成能和迁移势垒，成为调节氧传输特性的强大工具。[23] 值得注意的是，点缺陷工程还优化了电极-电解质界面的兼容性，这是决定LT-SOFCs稳定性的关键因素。[24],[25] 例如，通过调节缺陷浓度可以抑制高电阻次生相（如SrZrO?、La?Zr?O?）在界面处的形成，从而促进界面离子传输。[26],[27] 另外，在还原条件下从母体TMO晶格中析出纳米颗粒作为一种动态缺陷工程方法，能够生成具有催化活性和锚定作用的金属纳米颗粒，从而提高活性和稳定性。[28],[29]
TMOs中的结构-性质关系与点缺陷种群密切相关。氧空位浓度不仅决定了离子导电性，还影响了费米能级附近的电子结构，进而影响催化活性。[30] 类似地，阳离子空位和间隙原子也会影响晶格稳定性和长程有序现象。点缺陷工程带来的协同效应增强了电极的催化活性和界面电子传输，使LT-SOFCs即使在低温条件下也能实现高功率密度和长期稳定性。[31],[32] 作为一种基本且高效的策略，点缺陷工程能够精确调节SOFC材料的功能性质，从而克服温度对SOFC设备性能的限制。因此，对点缺陷化学的系统性研究不仅对于阐明低温能量转换的基本机制至关重要，也为高性能LT-SOFC组件的设计提供了理论基础和技术指导。值得注意的是，LT-SOFCs包括氧化物离子导电和质子导电系统，这两种系统的阴极反应机制根本不同：前者涉及氧还原生成O2?，而后者涉及质子和氧之间的三相边界反应生成水。[19] 鉴于质子导电燃料电池阴极需要三重导电特性，并且在含水蒸气的气氛中涉及更复杂的退化机制，本文特别关注氧化物离子导电LT-SOFCs阴极的点缺陷工程策略，以保持讨论的深度和连贯性。
大量研究人员对高温SOFCs进行了广泛研究。[5],[33],[34] 在高温下，热力学平衡占主导地位，缺陷行为对温度和氧分压的依赖性相对简单。然而，在低温范围内，点缺陷表现出动力学受限的行为，如缺陷关联、聚集和非平衡分布等现象变得越来越重要。[35],[36] 因此，本文重点关注低温条件下TMOs中的点缺陷行为，为优化氧化物离子导电LT-SOFCs的性能奠定了基础。与以往仅关注单一缺陷调控方法的综述不同，本文强调了多维度缺陷工程策略（体相、表面和界面）的系统性整合及其在提升TMO阴极性能方面的协同机制。为了更清晰地说明本文的创新之处，表1系统地比较了本文与该领域近期代表性综述的范围。如表1所示，与以往仅关注单一维度缺陷调控（体相、表面或界面）的综述不同，本文首次系统地整合了多尺度缺陷工程策略。本文特别关注低温（<800°C）下过渡金属氧化物阴极中的点缺陷行为，深入探讨了体相、表面和界面缺陷之间的协同机制及其与氧传输动力学和长期稳定性的内在联系。本文旨在为设计和开发高性能、耐用的氧化物离子导电LT-SOFCs阴极提供全面的理论框架和实践指导。
