質(zhì)子傳導(dǎo)可逆固體氧化物電池 (P-ReSOC) 正受到越來(lái)越多的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兙哂性谥械葴囟认掠行н\(yùn)行以降低成本和延長(zhǎng)使用壽命的潛力。在這里，我們報(bào)告了我們通過(guò)仔細(xì)操縱缺陷化學(xué)來(lái)合理設(shè)計(jì)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(lái)說(shuō)，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(shí)，表現(xiàn)出高離子電導(dǎo)率 (0.012 S cm
–1 )，同時(shí)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(shí)間連續(xù)增加，如使用基于密度泛函理論 (DFT) 的計(jì)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(shí)現(xiàn)了 1.12 W cm
-2的高峰值功率密度，在 1.3 V下實(shí)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(xiàng)工作為開(kāi)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(jiàn)解。
Figure 1. (a) BMCYb172 的體模型（M = Nb、Ta、Zr、Ce）。(b) H
2O 和 (c)在 M 上對(duì) 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(shí)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(duì)應(yīng)元素的 EDS 映射。(g) BNCYb057025 沿 [1?01] 區(qū)軸與電子束平行對(duì)齊的 SAED 圖案。(h) HRTEM 圖像對(duì)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(cè)量的電解質(zhì)質(zhì)子化曲線。(d) 在 1400℃ 下用 NiO 燒制 5 小時(shí)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(cè)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(shí)后的鈣鈦礦 (220) 峰和 BaCO
3峰之間的強(qiáng)度比。(c) BNCYb、BTCYb 和 BZCYYb 在500℃下暴露于 30% H
2O 的 Ar 500 小時(shí)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(shí)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(shí)，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(cè)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(cè)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(shí)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(zhǎng)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(hào)
