Revitalizing interface in protonic ceramic cells by acid etch

电解质 陶瓷 电化学 材料科学 电解 电极 电导率 化学工程 电化学电池 电化学能量转换 电解槽 化学 复合材料 物理化学 工程类
作者
Wenjuan Bian,Wei Wu,Baoming Wang,Wei Tang,Meng Zhou,Congrui Jin,Hanping Ding,Weiwei Fan,Yanhao Dong,Ju Li,Dong Ding
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:604 (7906): 479-485 被引量:243
标识
DOI:10.1038/s41586-022-04457-y
摘要

Protonic ceramic electrochemical cells hold promise for operation below 600 °C (refs. 1,2). Although the high proton conductivity of the bulk electrolyte has been demonstrated, it cannot be fully used in electrochemical full cells because of unknown causes3. Here we show that these problems arise from poor contacts between the low-temperature processed oxygen electrode–electrolyte interface. We demonstrate that a simple acid treatment can effectively rejuvenate the high-temperature annealed electrolyte surface, resulting in reactive bonding between the oxygen electrode and the electrolyte and improved electrochemical performance and stability. This enables exceptional protonic ceramic fuel-cell performance down to 350 °C, with peak power densities of 1.6 W cm−2 at 600 °C, 650 mW cm−2 at 450 °C and 300 mW cm−2 at 350 °C, as well as stable electrolysis operations with current densities above 3.9 A cm−2 at 1.4 V and 600 °C. Our work highlights the critical role of interfacial engineering in ceramic electrochemical devices and offers new understanding and practices for sustainable energy infrastructures. A simple acid treatment can improve high-temperature annealed electrolyte surfaces, resulting in improved performance and stability at lower temperatures for protonic ceramic fuel/electrolysis cells, offering new understanding for sustainable energy infrastructures.
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