Design of a perovskite oxide cathode for a protonic ceramic fuel cell

材料科学 阴极 钙钛矿(结构) 陶瓷 氧化物 镍 钴 电导率 兴奋剂 极化(电化学) 化学工程 活化能 无机化学 物理化学 复合材料 光电子学 冶金 化学 工程类
作者
Penghui Yao,Jian Zhang,Qianyuan Qiu,Gen Li,Yicheng Zhao,Fangyong Yu,Yongdan Li
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier BV]
卷期号:50 (1): 2373-2382 被引量:21
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2023.11.015
摘要

High catalytic activity, low-cost and stable cathode in a temperature range 550–700 °C is essential for the development of protonic ceramic fuel cells (PCFCs). Doping nickel into perovskite La0.5Sr0.5MnO3-δ(LSM) is designed as a cobalt-free cathode based on theoretical calculations and experiments. La0.5Sr0.5Mn0.9Ni0.1O3-δ (LSMNi) as cathode shows higher proton conductivity and ORR activity than the undoped LSM. The PCFCs with LSMNi exhibit low polarization resistance and high peak power density 1.1 W cm−2 at 700 °C. The density functional theory simulations indicate that doping with nickel decreases the oxygen vacancy formation energy and promotes the formation of hydroxide defects. The decrease in proton transfer energy barriers and hydration energy improves the proton conductivity. The improved performance is attributed to fast proton transfer and rapid kinetics of oxygen reduction on the surface of LSMNi. This work provides a novel approach to design cobalt-free cathode for a protonic ceramic fuel cell.
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