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Nano Res.[能源]│In³⁺掺杂SFM有效提升其作为SOFC阴极性能的研究

本篇文章版权为马玉梅、张丽洁所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高效率、低排放、燃料使用灵活和电池组可扩展等优点,被认为是最有前途的能量转换装置之一。SOFC的阴极是发生氧还原反应(ORR)的重要场所,氧气在空气极表面发生吸附、解离、得到电子形成氧离子,并将离子传输至电解质界面。优异的电化学性能要求阴极材料需要具有高的电子和离子导电性能,尤其是高的氧裂解和还原催化活性。其中,组成为Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ(SFM)的钙钛矿材料作为离子和电子混合导体MIECs材料因其具有优异的高热稳定性和化学稳定性而被广泛用于SOFC的阴极材料。但由于催化活性较差致使应用受限,因此积极采取改性措施提升SFM作为SOFC阴极的性能具有重要研究意义与价值。本工作以SFM为基体材料,采用元素掺杂策略,从材料体相结构出发调整元素比例,构建更多氧空位,提高氧离子传输性能,从而进一步提升材料的ORR活性。


成果简介


非过渡金属In3+离子半径与Mo6+的接近。因此,它可以很容易地掺杂到SFM的Mo位中。In3+掺杂的SFM阴极,即Sr2Fe1.5Mo0.4In0.1O6-δ(SFMIn)是一种新型的SOFC阴极材料。In3+掺杂极大地提升了SFM阴极的氧离子传输能力,降低了极化阻抗,从而提高了阴极的氧还原反应速率。在800 ℃时,SFMIn0.1和SFM对称电池的ASR值分别为0.046 Ω∙cm2和0.089 Ω∙cm2,单电池功率密度为1.47W∙cm2和0.92W∙cm2。此外,SFMIn0.1阴极表现出优异的电化学稳定性,在工作温度下,基于SFMIn0.1的单电池连续工作142 h无任何明显的性能衰减。这也证明了SFMIn0.1钙钛矿作为SOFC阴极材料的潜力。


图文导读


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图1.SFMInxXRD图(a)20-80°;(b)25-45°;(c)30-36°。

SFMIn0.1粉体形貌(d)低倍SEM图;(e)SAED模式;(f)TEM-EDS能谱图。


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图2.电化学性能测试(a)SFM;(b)SFMIn0.1;(c)性能对比图;(d)长期测试图。


作者简介


通讯作者

黄岭教授,新疆大学教授,博士生导师,英国皇家化学会会士。黄岭教授于2001年在南京大学取得无机化学专业博士学位,先后在加利福尼亚大学伯克利分校、佛罗里达州立大学以及美国西北大学从事博士后研究。2008-2009年在美国康宁公司研发总部任职高级研究员,2009 年4月至2012年12月在新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院任职副教授,2012年12月加入南京工业大学任职教授,先后获批2012年度江苏省特聘教授(重点支持)及2019年度教育部长江学者特聘教授。2021年5月加入新疆大学化学学院与碳基能源资源与化学利用国家重点实验室。迄今已在Nature, Science, Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Agnew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem. Rev., Chem. Soc. Rev. 等期刊发表研究论文180余篇。


夏长荣教授,中国科学技术大学教授,博士生导师。二十余年来,一直致力于固体氧化物燃料电池(SOFC)、固体氧化物电解池(SOEC)及相关材料和反应机理的研究。主持和参与国家级重点、面上、科技部863、973等项目10余项。在Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces,J. Power Sources等期刊上发表SCI论文300多篇,被引11000余次。



作者简介:

马玉梅,新疆大学化学学院博士研究生,研究方向为固体氧化物燃料电池阴极材料与机理。


张丽洁,中国科学技术大学化学与材料科学学院博士研究生,研究方向为固体氧化物燃料电池。


文章信息


Ma Y, Zhang L, Zhu K, et al. In3+-doped Sr2Fe1.5Mo0.5O6−δ cathode with improved performance for an intermediate-temperature solid oxide fuel cell. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6338-y.


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