質子傳導可逆固體氧化物電池 (P-ReSOC) 正受到越來越多的關注，因為它們具有在中等溫度下有效運行以降低成本和延長使用壽命的潛力。在這里，我們報告了我們通過仔細操縱缺陷化學來合理設計一系列新的供體和受體共摻雜質子導體的發現。具體來說，BaNb(Ta)
0.05 Ce
0.7 Yb
0.25 O
3-δ在 500℃下暴露于含有 30% H
2O 的 Ar 中 500 h時，表現出高離子電導率 (0.012 S cm
–1 )，同時保持出色的穩定性。相比之下，BaZr
0.1 Ce
0.7 Y
0.1的電阻Yb
0.1 O
3-δ由于與 H
2O的反應，在相同條件下隨時間連續增加，如使用基于密度泛函理論 (DFT) 的計算合理化。此外，基于 BaNb
0.05 Ce
0.7 Yb
0.25 O
3-δ的單電池在燃料電池模式下實現了 1.12 W cm
-2的高峰值功率密度，在 1.3 V下實現了 2.24 A cm
-2的高電流密度。電解模式在 600℃。總體而言，這項工作為開發用于 P-ReSOC 的高導電性和穩定的質子導體提供了新的見解。
Figure 1. (a) BMCYb172 的體模型（M = Nb、Ta、Zr、Ce）。(b) H
2O 和 (c)在 M 上對 BaO 封端的 BMCYb172 (001) 表面的H
2O 和 (c) CO
2吸附行為以及在 0 K 時相應的 H
2O 和 CO
2反應能 (ΔE
ads ) 作為離子的函數M 的半徑。
Figure 2. (a) BNCYb057025、BTCYb057025 和 BZCYYb1711 的 XRD 圖譜。(b) BNCYb057025 燒結粉末的 SEM 圖像。(c-f) 對應元素的 EDS 映射。(g) BNCYb057025 沿 [1?01] 區軸與電子束平行對齊的 SAED 圖案。(h) HRTEM 圖像對應于樣品的 [1?01] 區域軸。
Figure 3. (a) BNCYb05、BNCYb10、BTCYb05 和 BZCYYb10 在 500℃下的電導率與 B 位摻雜濃度的函數關系。(b) BNCYb057025、BTCYb057025 和 BZCYYb1711 的電導率隨溫度的變化。(c) TGA 測量的電解質質子化曲線。(d) 在 1400℃ 下用 NiO 燒制 5 小時后具有不同成分的 BNCYb05 樣品的 XRD 圖譜。(e) 在電池操作條件下測量的離子遷移數。(f) BNCYb057025 和 BTCYb057025 的電導率在 400-700℃下作為p
O2的函數。
Figure 4. (a) 放大的 XRD 圖案和 (b) BNCYb、BTCYb 和 BZCYYb 顆粒在 500℃下暴露于30% CO
2和 3% H
2O的Ar 300 小時后的鈣鈦礦 (220) 峰和 BaCO
3峰之間的強度比。(c) BNCYb、BTCYb 和 BZCYYb 在500℃下暴露于 30% H
2O 的 Ar 500 小時后的電阻變化。(d-f) (d) BNCYb、(e) BTCYb 和 (f) BZCYYb 顆粒在500℃下暴露于30% H
2O 的 Ar 500 小時后的電解質表面的 SEM 圖像。
Figure 5. 當 H
2O 吸附在 (a) M (Nb, Ta, Zr) 上時，吸水的吉布斯自由能 (ΔG
ads ) 與溫度的函數關系，(b) Ce 是 M 的最近鄰， (c) Yb/Y 是 BNCYb、BTCYb 和 BZCYYb 中 M 的最近鄰。BaO 封端的 BNCYb (001) 表面在 (d) Nb、(e) Ce 和 (f) Yb 上的 H
2O 吸附行為。
Figure 6. (a-c) (a) Ni-BNCYb/BNCYb/PBCC 單電池、(b) PBCC 空氣電極和 (c) Ni-BNCYb 燃料電極的橫截面 SEM 圖像。(d) 在 500-650℃的燃料電池模式下測量的典型 I-V-P 曲線，燃料電極中有 H
2 (3% H
2O)，空氣電極中有環境空氣。(e) 在 500–650℃ 的電解模式下測量的典型 I-V 曲線，燃料電極中為H
2 (3% H
2O)，空氣電極中為空氣 (30% H
2O)。(f) 500–650℃質子傳導電解池在 1.3 V 時的電流密度比較。(45−51)(g-i) Ni-BNCYb/BNCYb/PBCC 單電池在 (g) 燃料電池模式下的長期穩定性，燃料電極中 H
2 (3% H
2O) 和空氣電極中的環境空氣0.5 A cm
–2和 650 °C，(h) 可逆操作（在電流密度為±0.5 A cm
–2和 650 °C（空氣電極中含有 3% H
2O 的空氣），以及 (i)燃料電極中含有 H
2 (3% H
2O) 和空氣的電解模式（3 % H
2O) 在 -0.5 A cm
–2和 500 °C 下的空氣電極。
相關研究工作由佐治亞理工學院Meilin Liu課題組于2022年在線發表于《ACS Energy Letters》期刊上，原文：Highly Conductive and Durable Nb(Ta)-Doped Proton Conductors for Reversible Solid Oxide Cells。
轉自《石墨烯研究》公眾號
