Lattice Distortion Driven Spin‐State Engineering in Fe‐Based Electrodes for High‐Performance Reversible Proton‐Conducting Solid Oxide Cells

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作者
Yan Zhu,Manyi Xie,Changkun Cai,Zewen Zhu,Kai Qiu,Yi‐ang Liu,Jiapeng Chen,Jianjun Xiang,Hanjie Wang,Yuanyuan Liu,Jinxiao Bao,Shengli An
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:16 (4) 被引量:6
标识
DOI:10.1002/aenm.202505004
摘要

Abstract Reversible proton‐conducting solid oxide cells (R‐PSOCs) require bifunctional oxygen electrocatalysts that balance high activity with cost‐effectiveness. Here, a novel strategy is reported to enhance the catalytic performance of cobalt‐free Fe‐based electrodes by introducing Zn 2+ into SmBaFe 2 O 5+δ (SBF), which induces lattice distortion and drives a spin‐state transition of Fe 3+ from high‐spin to low‐spin states. This distortion‐driven spin‐state modulation strengthens Fe–O covalency, promotes oxygen‐vacancy ordering, and enhances proton hydration, significantly improving both oxygen reduction and evolution reaction kinetics. The optimized Zn‐modified SBF electrode achieves a peak power density of 0.95 W cm −2 in the PCFC mode and a current density of 1.69 A cm −2 in the PCEC mode at 700 °C, demonstrating excellent durability and chromium resistance over 100 h of cycling. Density functional theory (DFT) calculations confirm that the Zn‐induced spin‐state transition reduces reaction energy barriers, ensuring efficient bifunctional catalysis. These findings establish spin‐state engineering as a powerful and cost‐effective approach for designing high‐performance, cobalt‐free Fe‐based air electrodes, providing a scalable solution for next‐generation R‐PSOCs.
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