Improving Ruddlesden-Popper electrocatalysts through interstitial fluorination-driven rearrangements of local coordination environment

氧化物 掺杂剂 间质缺损 无机化学 氧气 兴奋剂 材料科学 结构精修 化学 晶体结构 结晶学 冶金 有机化学 光电子学
作者
Daoming Huan,Lu Zhang,Kang Zhu,Xinyu Li,Ranran Peng,Dong Ding,Changrong Xia
出处
期刊:Sustainable Materials and Technologies [Elsevier BV]
卷期号:38: e00754-e00754 被引量:20
标识
DOI:10.1016/j.susmat.2023.e00754
摘要

Anion-doping is an attractive strategy to regulate the local coordination environment of oxygen electrodes in solid oxide fuel cells (SOFCs), which is generally regarded as a substitution for O-sites. In this work, the interstitial fluorine anion-doping in Sr3Fe2O7-δ, a Ruddlesden-Popper oxide with a two-layered structure, has been observed for the first time. The X-ray absorption fine structure analysis and Rietveld refined X-ray diffraction results demonstrate that the fluorine anion dopants occupy the rock-salt layer forming the stronger metal-fluorine bonds to activate oxygen ions. Density functional theory calculations further verify fluorine anions' ability to insert into tetrahedral intervals consisting of four Sr2+ in the rock-salt layer. The elevated proportion of O22−/O− and Fe4+ are obtained, which are commonly deemed in favor of oxygen reduction reaction. The fluorine anion-doped oxygen electrode exhibits more than a 20% drop in area specific resistance measured from 600 to 750 °C. In addition, the symmetric cell with Sr3Fe2O7-δF0.1 single-phase cathode shows excellent durability within a 1000 h thermal cycling and long-term tests in air atmosphere. A high peak power density of 888 mWcm−2 is achieved at 700 °C, showing a 35% improvement.
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