Nickel-doped BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ as a new high-performance cathode for both oxygen-ion and proton conducting fuel cells

阴极 氧化物 电解质 氧气 兴奋剂 极化(电化学) 化学工程 材料科学 无机化学 电导率 化学 电极 光电子学 物理化学 冶金 有机化学 工程类
作者
Mingzhuang Liang,Fan He,Chuan Zhou,Yubo Chen,Ran Ran,Guangming Yang,Wei Zhou,Zongping Shao
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:420: 127717-127717 被引量:154
标识
DOI:10.1016/j.cej.2020.127717
摘要

To develop a cathode with excellent oxygen reduction reaction (ORR) activity and durability at intermediate-to-low temperatures is significant to boost the advancement of solid oxide fuel cells (SOFCs), a fascinating energy conversion technology with low emissions and high efficiency. Perovskite oxides have been extensively developed as cathodes, and doping is an important strategy to alter the lattice diffusion and surface exchange properties of perovskites, to tailor catalytic performances for various redox reactions, including ORR for SOFCs. The reported BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ (BCFZY) is a promising cathode for SOFCs. Herein, to further improve the performance of BCFZY at reduced temperatures, we systematically investigate the partial doping of B-sites with different metal elements, including Mn, Ni, Cu and Zn at a fixed content of 5%. Among them, it is found that Ba(Co0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1)0.95Ni0.05O3-δ (BCFZYN) exhibits the lowest polarization impedance in both oxygen ion and proton conducting fuel cells. Based on conductivity relaxation experiments and oxygen and hydrogen permeation tests, it is found that nickel doping improves oxygen mobility, surface exchange kinetics, and bulk oxygen ion and proton conductivity. Thereby, a high ORR activity on oxygen ion and proton conducting electrolytes is achieved, reaching 0.038 and 0.607 Ω cm2 at 550 °C, respectively. The cells with the BCFZYN electrode show outstanding operational stability (200 h of operation in a symmetrical cell and 1000 h of operation in a single cell). This suggests that the BCFZYN is a promising cathode of next-generation SOFCs.
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