Achieving Fast Oxygen Reduction on Oxide Electrodes by Creating 3D Multiscale Micro-Nano Structures for Low-Temperature Solid Oxide Fuel Cells

材料科学 氧化钇稳定氧化锆 微观结构 阴极 氧化物 固体氧化物燃料电池 介电谱 扫描电子显微镜 脉冲激光沉积 纳米技术 化学工程 电极 电化学 复合材料 薄膜 阳极 冶金 立方氧化锆 陶瓷 化学 工程类 物理化学
作者
Gene Yang,Sang‐Hoon Nam,Gina Han,Nicholas X. Fang,Dongkyu Lee
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (43): 50427-50436
标识
DOI:10.1021/acsami.3c07115
摘要

Fast oxygen reduction reaction (ORR) at the cathode is a key requirement for the realization of low-temperature solid oxide fuel cells (SOFCs). While the design of three-dimensional (3D) structures has emerged as a new and promising approach to improving the electrochemical performance of SOFC cathodes, achieving versatile structures and structural stability is still challenging. In this study, we demonstrate a novel architectural design for a superior cathode with fast ORR activity. By employing a completely new fabrication process comprising a 3D printing technique and pulsed laser deposition (PLD), we design 3D La0.8Sr0.2CoO3-δ (LSC) micro-nano structures with the desired shape. 3D-printed yttria-stabilized ZrO2 (YSZ) microstructures significantly increase the ratio of surface area to volume while maintaining suitable ionic conductivity comparable to that of single-crystalline YSZ substrates. Scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray microanalysis reveal the formation of crack- or void-free YSZ microstructures and the uniform deposition of LSC films by PLD on the YSZ microstructures. The 3D LSC micro-nano structures show significantly enhanced oxygen surface exchange coefficients (kchem) extracted from electrical conductivity relaxation (ECR) measurements by up to 3 orders of magnitude relative to the bulk LSC. Furthermore, electrochemical impedance spectroscopy measurements verify the kchem values from ECR and no directional difference in the measured ORR activity depending on the shape of 3D microstructures. The dramatic enhancement of the ORR activity of LSC is attributed to the increased film surface areas resulting from the 3D YSZ microstructures.
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