質(zhì)子傳導(dǎo)可逆固體氧化物電池 (P-ReSOC) 正受到越來越多的關(guān)注，因為它們具有在中等溫度下有效運行以降低成本和延長使用壽命的潛力。在這里，我們報告了我們通過仔細(xì)操縱缺陷化學(xué)來合理設(shè)計一系列新的供體和受體共摻雜質(zhì)子導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)。具體來說，BaNb(Ta)
0.05 Ce
0.7 Yb
0.25 O
3-δ在 500℃下暴露于含有 30% H
2O 的 Ar 中 500 h時，表現(xiàn)出高離子電導(dǎo)率 (0.012 S cm
–1 )，同時保持出色的穩(wěn)定性。相比之下，BaZr
0.1 Ce
0.7 Y
0.1的電阻Yb
0.1 O
3-δ由于與 H
2O的反應(yīng)，在相同條件下隨時間連續(xù)增加，如使用基于密度泛函理論 (DFT) 的計算合理化。此外，基于 BaNb
0.05 Ce
0.7 Yb
0.25 O
3-δ的單電池在燃料電池模式下實現(xiàn)了 1.12 W cm
-2的高峰值功率密度，在 1.3 V下實現(xiàn)了 2.24 A cm
-2的高電流密度。電解模式在 600℃。總體而言，這項工作為開發(fā)用于 P-ReSOC 的高導(dǎo)電性和穩(wěn)定的質(zhì)子導(dǎo)體提供了新的見解。
Figure 1. (a) BMCYb172 的體模型（M = Nb、Ta、Zr、Ce）。(b) H
2O 和 (c)在 M 上對 BaO 封端的 BMCYb172 (001) 表面的H
2O 和 (c) CO
2吸附行為以及在 0 K 時相應(yīng)的 H
2O 和 CO
2反應(yīng)能 (ΔE
ads ) 作為離子的函數(shù)M 的半徑。
Figure 2. (a) BNCYb057025、BTCYb057025 和 BZCYYb1711 的 XRD 圖譜。(b) BNCYb057025 燒結(jié)粉末的 SEM 圖像。(c-f) 對應(yīng)元素的 EDS 映射。(g) BNCYb057025 沿 [1?01] 區(qū)軸與電子束平行對齊的 SAED 圖案。(h) HRTEM 圖像對應(yīng)于樣品的 [1?01] 區(qū)域軸。
Figure 3. (a) BNCYb05、BNCYb10、BTCYb05 和 BZCYYb10 在 500℃下的電導(dǎo)率與 B 位摻雜濃度的函數(shù)關(guān)系。(b) BNCYb057025、BTCYb057025 和 BZCYYb1711 的電導(dǎo)率隨溫度的變化。(c) TGA 測量的電解質(zhì)質(zhì)子化曲線。(d) 在 1400℃ 下用 NiO 燒制 5 小時后具有不同成分的 BNCYb05 樣品的 XRD 圖譜。(e) 在電池操作條件下測量的離子遷移數(shù)。(f) BNCYb057025 和 BTCYb057025 的電導(dǎo)率在 400-700℃下作為p
O2的函數(shù)。
Figure 4. (a) 放大的 XRD 圖案和 (b) BNCYb、BTCYb 和 BZCYYb 顆粒在 500℃下暴露于30% CO
2和 3% H
2O的Ar 300 小時后的鈣鈦礦 (220) 峰和 BaCO
3峰之間的強度比。(c) BNCYb、BTCYb 和 BZCYYb 在500℃下暴露于 30% H
2O 的 Ar 500 小時后的電阻變化。(d-f) (d) BNCYb、(e) BTCYb 和 (f) BZCYYb 顆粒在500℃下暴露于30% H
2O 的 Ar 500 小時后的電解質(zhì)表面的 SEM 圖像。
Figure 5. 當(dāng) H
2O 吸附在 (a) M (Nb, Ta, Zr) 上時，吸水的吉布斯自由能 (ΔG
ads ) 與溫度的函數(shù)關(guān)系，(b) Ce 是 M 的最近鄰， (c) Yb/Y 是 BNCYb、BTCYb 和 BZCYYb 中 M 的最近鄰。BaO 封端的 BNCYb (001) 表面在 (d) Nb、(e) Ce 和 (f) Yb 上的 H
2O 吸附行為。
Figure 6. (a-c) (a) Ni-BNCYb/BNCYb/PBCC 單電池、(b) PBCC 空氣電極和 (c) Ni-BNCYb 燃料電極的橫截面 SEM 圖像。(d) 在 500-650℃的燃料電池模式下測量的典型 I-V-P 曲線，燃料電極中有 H
2 (3% H
2O)，空氣電極中有環(huán)境空氣。(e) 在 500–650℃ 的電解模式下測量的典型 I-V 曲線，燃料電極中為H
2 (3% H
2O)，空氣電極中為空氣 (30% H
2O)。(f) 500–650℃質(zhì)子傳導(dǎo)電解池在 1.3 V 時的電流密度比較。(45−51)(g-i) Ni-BNCYb/BNCYb/PBCC 單電池在 (g) 燃料電池模式下的長期穩(wěn)定性，燃料電極中 H
2 (3% H
2O) 和空氣電極中的環(huán)境空氣0.5 A cm
–2和 650 °C，(h) 可逆操作（在電流密度為±0.5 A cm
–2和 650 °C（空氣電極中含有 3% H
2O 的空氣），以及 (i)燃料電極中含有 H
2 (3% H
2O) 和空氣的電解模式（3 % H
2O) 在 -0.5 A cm
–2和 500 °C 下的空氣電極。
相關(guān)研究工作由佐治亞理工學(xué)院Meilin Liu課題組于2022年在線發(fā)表于《ACS Energy Letters》期刊上，原文：Highly Conductive and Durable Nb(Ta)-Doped Proton Conductors for Reversible Solid Oxide Cells。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
