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Cation‐Selective Defects Engineering in A‐Site Ordered Layered Perovskites for High‐Performance Reversible Protonic Ceramic Cells

材料科学 空位缺陷 钙钛矿(结构) 氧气 电化学 析氧 纳米技术 化学工程 电极 结晶学 物理化学 化学 工程类 有机化学
作者
Yixiao Song,Yufei Song,Yuhao Wang,Meigui Xu,Jianrong Zeng,Mingzhuang Liang,Haitao Huang,Wei Zhou,Ran Ran,Zongping Shao
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (44): e11519-e11519 被引量:2
标识
DOI:10.1002/adma.202511519
摘要

Reversible protonic ceramic cells facilitate efficient chemical-electrical energy interconversion, advancing renewable energy utilization. Commercial viability, however, demands intermediate-to-low temperatures (ILT, 400-600 °C) operation, currently constrained by air electrode performance. A-site ordered layered perovskite PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ (PBSCF) promises, yet faces activity and stability issues at ILT. Cation defects effectively tune defect structures in simple perovskites, boosting electrochemical performance, but their specific effects in A-site ordered perovskites with dual A-site environments remain unexplored. Here, A-site cation-selective defects are engineered to tune PBSCF's performance, with Pr-deficient (Pr0.95Ba0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ, p-PBSCF) and Ba/Sr-deficient (Pr(Ba0.5Sr0.5)0.95Co1.5Fe0.5O5+δ, bs-PBSCF) variants revealing distinct defects-performance relationships. Pr defects weaken Co─O covalency to activate Co sites, enhancing oxygen electrocatalytic activity. Concurrently, it lowers oxygen vacancy concentration, inhibiting hydration-induced lattice expansion. This stabilizes Ba─O/Sr─O bonds and mitigates Ba/Sr segregation, enhancing stability. However, the reduced oxygen vacancy concentration inhibits the material's hydration, lowering proton conduction and thus restricting activity enhancement. In contrast, Ba/Sr defects not only weaken Co─O covalency to activate Co sites, but also increase oxygen vacancy concentration, promoting proton and oxygen-ion transport, thereby significantly enhancing electrode activity. Furthermore, despite increased hydration, bs-PBSCF's larger-radius cation defects yield a smaller unit cell versus p-PBSCF, further strengthening Ba─O/Sr─O bonds and inhibiting Ba/Sr segregation, thus leading to superior stability.
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