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Unlocking the Potential of A-Site Ca-Doped LaCo0.2Fe0.8O3−δ: A Redox-Stable Cathode Material Enabling High Current Density in Direct CO2 Electrolysis

材料科学 阴极 兴奋剂 电流密度 氧化还原 纳米技术 工程物理 无机化学 光电子学 物理化学 冶金 量子力学 物理 工程类 化学
作者
Haixia Li,Wanhua Wang,Lu‐Cun Wang,Min Wang,Ka‐Young Park,Tae-Hee Lee,Andreas Heyden,Dong Ding,Fanglin Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (37): 43732-43744 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acsami.3c08561
摘要

Massive carbon dioxide (CO2) emission from recent human industrialization has affected the global ecosystem and raised great concern for environmental sustainability. The solid oxide electrolysis cell (SOEC) is a promising energy conversion device capable of efficiently converting CO2 into valuable chemicals using renewable energy sources. However, Sr-containing cathode materials face the challenge of Sr carbonation during CO2 electrolysis, which greatly affects the energy conversion efficiency and long-term stability. Thus, A-site Ca-doped La1–xCaxCo0.2Fe0.8O3−δ (0.2 ≤ x ≤ 0.6) oxides are developed for direct CO2 conversion to carbon monoxide (CO) in an intermediate-temperature SOEC (IT-SOEC). With a polarization resistance as low as 0.18 Ω cm2 in pure CO2 atmosphere, a remarkable current density of 2.24 A cm–2 was achieved at 1.5 V with La0.6Ca0.4Co0.2Fe0.8O3−δ (LCCF64) as the cathode in La0.8Sr0.2Ga0.83Mg0.17O3−δ (LSGM) electrolyte (300 μm) supported electrolysis cells using La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ (LSCF) as the air electrode at 800 °C. Furthermore, symmetrical cells with LCCF64 as the electrodes also show promising electrolysis performance of 1.78 A cm–2 at 1.5 V at 800 °C. In addition, stable cell performance has been achieved on direct CO2 electrolysis at an applied constant current of 0.5 A cm–2 at 800 °C. The easily removable carbonate intermediate produced during direct CO2 electrolysis makes LCCF64 a promising regenerable cathode. The outstanding electrocatalytic performance of the LCCF64 cathode is ascribed to the highly active and stable metal/perovskite interfaces that resulted from the in situ exsolved Co/CoFe nanoparticles and the additional oxygen vacancies originated from the Ca2Fe2O5 phase synergistically providing active sites for CO2 adsorption and electrolysis. This study offers a novel approach to design catalysts with high performance for direct CO2 electrolysis.
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