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Enhancing Bifunctional Electrocatalytic Activities of Oxygen Electrodes via Incorporating Highly Conductive Sm3+ and Nd3+ Double-Doped Ceria for Reversible Solid Oxide Cells

材料科学 氧气 氧化物 电极 化学工程 克拉克电极 电解 析氧 阴极 无机化学 双功能 可逆氢电极 电解质 催化作用 电化学 工作电极 化学 有机化学 冶金 物理化学 工程类
作者
Jeong Hwa Park,Chan Hoon Jung,Kyeong Joon Kim,Doyeub Kim,Hong Rim Shin,Jong‐Eun Hong,Kang Taek Lee
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (2): 2496-2506 被引量:48
标识
DOI:10.1021/acsami.0c17238
摘要

Solid oxide cells (SOCs) are mutually convertible energy devices capable of generating electricity from chemical fuels including hydrogen in the fuel cell mode and producing green hydrogen using electricity from renewable but intermittent solar and wind resources in the electrolysis cell mode. An effective approach to enhance the performance of SOCs at reduced temperatures is by developing highly active oxygen electrodes for both oxygen reduction and oxygen evolution reactions. Herein, highly conductive Sm3+ and Nd3+ double-doped ceria (Sm0.075Nd0.075Ce0.85O2−δ, SNDC) is utilized as an active component for reversible SOC applications. We develop a novel La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3 −δ (LSCF)–SNDC composite oxygen electrode. Compared with the conventional LSCF–Gd-doped ceria oxygen electrode, the LSCF–SNDC exhibits ∼35% lower cathode polarization resistance (0.042 Ω cm2 at 750 °C) owing to rapid oxygen incorporation and surface diffusion kinetics. Furthermore, the SOC with the LSCF–SNDC oxygen electrode and the SNDC buffer layer yields a remarkable performance in both the fuel cell (1.54 W cm–2 at 750 °C) and electrolysis cell (1.37 A cm–2 at 750 °C) modes because the incorporation of SNDC promotes the surface diffusion kinetics at the oxygen electrode bulk and the activity of the triple phase boundary at the interface. These findings suggest that the highly conductive SNDC material effectively enhances both oxygen reduction and oxygen evolution reactions, thus serving as a promising material in reversible SOC applications at reduced temperatures.

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