Novel n–i CeO2/a-Al2O3 Heterostructure Electrolyte Derived from the Insulator a-Al2O3 for Fuel Cells

材料科学 电解质 异质结 离子电导率 绝缘体(电) 开路电压 无定形固体 半导体 离子键合 电导率 氧化物 光电子学 电压 电气工程 电极 离子 化学 物理化学 工程类 有机化学 冶金
作者
Yingbo Zhang,Decai Zhu,Jia Xin,Jiamei Liu,Xinfang Li,Yuzhao Ouyang,Ze Li,Xiaowei Gao,Chengjun Zhu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (1): 2419-2428 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acsami.2c18240
摘要

Heterostructure technologies have been regarded as promising methods in the development of electrolytes with high ionic conductivity for low-temperature solid oxide fuel cells (LT-SOFCs). Here, a novel semiconductor/insulator (n-i) heterostructure strategy has been proposed to develop composite electrolytes for LT-SOFCs based on CeO2 and the insulator amorphous alumina (a-Al2O3). The constructed CeO2/a-Al2O3 electrolyte exhibits an ionic conductivity of up to 0.127 S cm-1, and its fuel cell achieves a maximum power density (MPD) of 1017 mW cm-2 with an open-circuit voltage (OCV) of 1.14 V at 550 °C without the short-circuiting problem, suggesting that the introduction of a-Al2O3 can effectively suppress the electron conduction of CeO2. It is found that the potential energy barrier at the heterointerfaces caused by the ultrawide band gap of the insulator a-Al2O3 plays an important role in restraining electron conduction. Simultaneously, the thermoelectric effect of the insulator induces more oxygen vacancies because of interface charge compensation, which further promotes ionic transport and results in high ionic conductivity and fuel cell performance. This study presents a practical n-i heterostructure electrolyte design, and further research confirmed the advanced functionality of the CeO2/a-Al2O3 electrolyte. Our study may open frontiers in the field of developing high-efficiency electrolytes of LT-SOFCs using insulating materials such as amorphous alumina.
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