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Boosting the Electrochemical Performance of Fe-Based Layered Double Perovskite Cathodes by Zn2+ Doping for Solid Oxide Fuel Cells

材料科学 兴奋剂 钙钛矿(结构) 阴极 氧化物 电化学 氧气 离子电导率 化学工程 极化(电化学) 无机化学 分析化学(期刊) 电极 光电子学 电解质 物理化学 化学 工程类 有机化学 冶金 色谱法
作者
Rongzheng Ren,Zhenhua Wang,Xingguang Meng,Chunming Xu,Jinshuo Qiao,Wang Sun,Kening Sun
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (21): 23959-23967 被引量:125
标识
DOI:10.1021/acsami.0c04605
摘要

Mixed oxygen ionic and electronic conduction is a vital function for cathode materials of solid oxide fuel cells (SOFCs), ensuring high efficiency and low-temperature operation. However, Fe-based layered double perovskites, as a classical family of mixed oxygen ionic and electronic conducting (MIEC) oxides, are generally inactive toward the oxygen reduction reaction due to their intrinsic low electronic and oxygen-ion conductivity. Herein, Zn doping is presented as a novel pathway to improve the electrochemical performance of Fe-based layered double perovskite oxides in SOFC applications. The results demonstrate that the incorporation of Zn ions at Fe sites of the PrBaFe2O5+δ (PBF) lattice simultaneously regulates the concentration of holes and oxygen vacancies. Consequently, the oxygen surface exchange coefficient and oxygen-ion bulk diffusion coefficient of Zn-doped PBF are significantly tuned. The enhanced mixed oxygen ionic and electronic conduction is further confirmed by a lower polarization resistance of 0.0615 and 0.231 Ω·cm2 for PrBaFe1.9Zn0.1O5+δ (PBFZ0.1) and PBF, respectively, which is measured using symmetric cells at 750 °C. Moreover, the PBFZ0.1-based single cell demonstrates the highest output performance among the reported Fe-based layered double perovskite cathodes, rendering a peak power density of 1.06 W·cm-2 at 750 °C and outstanding stability over 240 h at 700 °C. The current work provides a highly effective strategy for designing cathode materials for next-generation SOFCs.
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