Nanocomposites: A New Opportunity for Developing Highly Active and Durable Bifunctional Air Electrodes for Reversible Protonic Ceramic Cells

材料科学 纳米复合材料 双功能 钙钛矿(结构) 电极 化学工程 析氧 电解 陶瓷 纳米颗粒 纳米技术 非阻塞I/O 催化作用 复合材料 电化学 电解质 工程类 物理化学 化学 生物化学
作者
Yufei Song,Jiapeng Liu,Yuhao Wang,Daqin Guan,Arim Seong,Mingzhuang Liang,Matthew J. Robson,Xiandong Xiong,Zhiqi Zhang,Guntae Kim,Zongping Shao,Francesco Ciucci
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:11 (36) 被引量:113
标识
DOI:10.1002/aenm.202101899
摘要

Abstract Reversible protonic ceramic cells (RePCCs) can facilitate the global transition to renewable energy sources by providing high efficiency, scalable, and fuel‐flexible energy generation and storage at the grid level. However, RePCC technology is limited by the lack of durable air electrode materials with high activity toward the oxygen reduction/evolution reaction and water formation/water‐splitting reaction. Herein, a novel nanocomposites concept for developing bifunctional RePCC electrodes with exceptional performance is reported. By harnessing the unique functionalities of nanoscale particles, nanocomposites can produce electrodes that simultaneously optimize reaction activity in both fuel cell/electrolysis operations. In this work, a nanocomposite electrode composed of tetragonal and Ruddlesden–Popper (RP) perovskite phases with a surface enriched by CeO 2 and NiO nanoparticles is synthesized. Experiments and calculations identify that the RP phase promotes hydration and proton transfer, while NiO and CeO 2 nanoparticles facilitate O 2 surface exchange and O 2‐ transfer from the surface to the major perovskite. This composite also ensures fast (H + /O 2‐ /e ‐ ) triple‐conduction, thereby promoting oxygen reduction/evolution reaction activities. The as‐fabricated RePCC achieves an excellent peak power density of 531 mW cm ‐2 and an electrolysis current of −364 mA cm ‐2 at 1.3 V at 600 °C, while demonstrating exceptional reversible operation stability of 120 h at 550 °C.
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