Partially exsolved iron from doped ceria as electrocatalysts for steam reduction in solid oxide electrolysis cell

材料科学 化学工程 阴极 吸附 纳米颗粒 氧化物 催化作用 高温电解 电解 氧化还原 电化学 无机化学 固体氧化物燃料电池 兴奋剂 电解水 部分氧化 离解(化学) 蒸汽重整 密度泛函理论 吉布斯自由能 交换电流密度 陶瓷 电极 比表面积 氧化铈 电催化剂 氧气 析氧 可逆氢电极 氧化铁 氢 分解水
作者
Yimin Sheng,Youqi Jiang,Youqi Jiang,Bingbing Qiu,Yunan Jiang,Yunan Jiang,Xuexin Jiang,Changrong Xia
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier BV]
卷期号:677: 239970-239970 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2026.239970
摘要

Cerium-based oxides such as samarium-doped ceria (SDC) are promising ceramic electrocatalysts for steam-to-hydrogen conversion in solid oxide electrolysis cells (SOECs) due to their excellent redox stability under harsh cathodic conditions. To enhance their catalytic activity, an Fe-doping strategy is proposed to induce partial in situ exsolution, forming a novel FeSDC cathode with Fe nanoparticles embedded in the ceria matrix. Microstructural analysis reveals uniformly distributed Fe nanoparticles with sizes of 30–60 nm formed after reduction, exhibiting a semi-embedded morphology that provides abundant active sites for steam reduction. Density functional theory calculations indicate that Fe doping and exsolution increase H 2 O adsorption energy and elongate the O–H bond, suggesting activated adsorption and dissociation of H 2 O molecules. As a result, oxygen transport kinetics for the steam reduction reaction are significantly enhanced. At 750 °C, FeSDC exhibits a chemical surface exchange coefficient of 5.48 × 10 −5 cm s −1 , approximately 56% higher than that of undoped SDC. Single-cell tests demonstrate that the FeSDC cathode achieves a current density of 1.17 A cm −2 at 800 °C and 1.3 V under equimolar H 2 /H 2 O, about twice that of SDC. Moreover, the FeSDC-based cell delivers 1.47 A cm −2 under pure steam electrolysis. • In situ exsolved Fe nanoparticles form socket-like structure on FeSDC cathode. • DFT shows Fe doping and partial exsolution enhance H 2 O adsorption on SDC surfaces. • FeSDC exhibits 56% higher surface exchange coefficient than SDC at 750 °C. • FeSDC single cell delivers 1.47 A cm −2 in pure steam at 800 °C and 1.3 V.
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