Exploring B-site high-entropy configuration of spinel oxides for improved cathode performance in solid oxide fuel cells

尖晶石 材料科学 阴极 氧化物 阳极 氧气 化学工程 电化学 固溶体 无机化学 物理化学 电极 冶金 化学 工程类 有机化学
作者
Zhuang Lin,Ben Ma,Zhaohui Chen,Lin Cheng,Yingke Zhou
出处
期刊:Journal of The European Ceramic Society [Elsevier BV]
卷期号:44 (4): 2233-2241 被引量:46
标识
DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2023.11.004
摘要

High-entropy engineering is an emerging strategy to enhance material properties beyond their individual components. In this study, we synthesized a high-entropy spinel oxide cathode material, Ni(Fe0.2Mn0.2Co0.2Cr0.2Ni0.2)2O4, for solid oxide fuel cells (SOFCs) using a solution combustion method. The material exhibits a spinel structure with diverse surface metal valence states and a high concentration of oxygen vacancies. Density functional theory calculations reveal the B-site high-entropy design can significantly improve the oxygen adsorption capability. Electrochemical tests demonstrate that Ni(Fe0.2Mn0.2Co0.2Cr0.2Ni0.2)2O4 has superior conductivity and oxygen reduction activity compared to binary spinel oxides. An anode-supported SOFC with Ni(Fe0.2Mn0.2Co0.2Cr0.2Ni0.2)2O4 cathode achieved a peak power density of 583 mW cm-2 at 800 °C. Impedance and relaxation time distribution (DRT) analyses indicate that the oxygen molecular dissociation and oxygen atom diffusion dominates the cathode polarization. This study demonstrates that high-entropy engineering of the B-site in spinel oxides is a promising strategy to optimize cathode performance for SOFCs.
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