A Superior Catalytic Air Electrode with Temperature-Induced Exsolution toward Protonic Ceramic Cells

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作者
Kang Zhu,Lijie Zhang,Nai Shi,Bingbing Qiu,Xueyu Hu,Daoming Huan,Changrong Xia,Ranran Peng,Yalin Lu
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (6): 5141-5151 被引量:22
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c12609
摘要

Protonic ceramic cells merit extensive exploration, attributed to their innate capabilities for potent and environmentally benign energy conversion. In this work, a temperature-induced exsolution methodology to synthesize SrCo0.5Nb0.5O3-δ (SCN) nanoparticles (NPs) with notably elevated activity on the surface of PrSrCo1.8Nb0.2O6-δ (PSCN) is proposed, directly addressing the extant challenge of restrained catalytic activity prevalent in air electrode materials. In situ assessments reveal that SCN NPs commence exsolution from the matrix at temperatures surpassing 900 °C during straightforward calcination processes and maintain stability throughout annealing. Notably, the resultant SCN-PSCN interface facilitates vapor adsorption and protonation processes, which are poised to enhance surface reaction kinetics pertaining to the proton-involved oxygen reduction and evolution reaction (P-ORR and P-OER). A fuel-electrode-supported protonic ceramic cell leveraging SCN-PSCN as the air electrode manifests compelling performance, attaining a peak power density of 1.30 W·cm-2 in the fuel cell modality and a current density of 1.91 A·cm-2 at 1.3 V in the electrolysis mode, recorded at 650 °C. Furthermore, density functional theory calculations validate that the introduction of SCN NPs onto the PSCN surface conspicuously accelerates electrode reaction rates correlated with P-ORR and P-OER, by significantly mitigating energy barriers associated with surface oxygen and vapor dissociation.
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